автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка, исследование и совершенствование оборудования и технологии изготовления рельсовых скреплений нового поколения

ОАО "Магнитогорский калибровочный завод"

На правах рукописи

КРИВОЩАПОВ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Васильев С.П. Научный консультант: доктор технических наук, профессор Гун Г.С.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.........8

1.1. Анализ конструкций пружинных клемм...............................8

1.2. Разработка технологического процесса изготовления пружинной клеммы на основе конструкции фирмы "УовБЬИ" в условиях

ОАО "Магнитогорский калибровочный завод"......... ............17

Выводы................................................................................28

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ПРОБЛЕМ, ВОЗНИКШИХ ПРИ ПУСКО-НАЛАДОЧНЫХ РАБОТАХ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ПРУТКОВЫХ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ, И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО

И КОНСТРУКТОРСКОГО ХАРАКТЕРА.....................29

2.1. Технология и оборудование, разработанные для производства прутковых пружинных клемм на Магнитогорском калибровочном заводе...........................29

2.2. Постановка задач исследований и конструкторских разработок....................................................................36

Выводы...............................................................................51

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ НОВЫХ

ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ОСВОЕНИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРУТКОВЫХ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ............. ....................................................52

3.1. Изменение конструкции транспортирующего

устройства индукционной печи.......................................52

3.2. Модернизация устройства для передачи заготовок с транспортера печи на позицию

выдачи и устройства для базирования заготовок................58

3.3. Корректировка режимов отжига

горячекатаной стали.......................................................66

Выводы...............................................................................79

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

ПРИ КАЛИБРОВКЕ ВАЛЬЦАМИ................................81

4.1. Напряженно-деформированное состояние металла

при калибровке заготовки.................................................86

4.2. Численное решение осесимметричной задачи в упругопластической постановке методом

переменных параметров упругости...................................94

4.3. Расчет остаточных напряжений при калибровке

заготовки в вальцах.........................................................99

4.4. Оценка температурных условий деформации при калибровке...................................................................102

Выводы..............................................................................105

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОБТОЧКИ ЗАГОТОВКИ

НА ВЕЛИЧИНУ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ..........106

А

5.1. Изменение остаточных напряжений при обточке заготовки.....................................................................107

5.2. Остаточные напряжения при смотке проволоки.................116

Выводы..............................................................................118

ГЛАВА 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУТКОВЫХ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ. КОНЦЕПЦИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА КЛЕММ...119

6.1. Разработка схем базирования заготовок клемм, приспособлений для базирования и выбор

механизмов подачи............................................................119

6.2. Разработка схем технологической оснастки для гибки-штамповки клемм................................... ..................142

6.3. Концепция непрерывной линии производства клемм...............155

Выводы..................................................................................165

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................167

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .......................................170

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................180

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы, в связи с увеличением массы подвижного состава, повышением скорости и интенсивности движения поездов, значительно повысились нагрузки на магистральные железнодорожные пути. Наиболее сложным механическим воздействиям на железной дороге подвергаются детали соединения рельсов со шпалами. С одной стороны, эти детали должны обеспечивать высокую надежность соединения, а с другой - быть достаточно податливыми в упругой области, чтобы воспринимать циклические нагрузки.

В костыльном соединении крепление рельсов к деревянным шпалам осуществляется костылями, а роль упругих элементов выполняют сами шпалы. Смещение рельсов в направлении движения предотвращается противоугонами. Так как масса подвижного состава и скорость движения по путям с костыльным скреплением ограничены, то, с введением мощных быстроходных локомотивов, магистральные пути переведены на раздельное клеммное скрепление.

В раздельном клеммном скреплении соединение подкладок с деревянными шпалами производится путевыми шурупами, а с железобетонными - закладными болтами. Крепление рельсов к подкладкам осуществляется жесткими клеммами несимметричного П-образного сечения с помощью клеммных болтов и гаек. Упругими элементами являются мно-говитковые пружинные шайбы, которые устанавливаются между клеммами и гайками.

Клеммное скрепление надежно соединяет рельсы со шпалами и удерживает рельсы как от продольных смещений без применения про-тивоугонов, так и от температурных деформаций. Вместе с тем, соединение рельса со шпалой является жестким, так как при затяжке гайки на клеммном болте, пружинная шайба сжимается и ее податливость фак-

тически исчерпывается. При циклической нагрузке во время прохождения состава возможно перемещение шпалы совместно с рельсом, что может привести к нарушению подшпального балластного слоя и потере стабильности пути. Попытки использовать эластичные прокладки между подкладкой и шпалой не дали ощутимых результатов. Применение пружинной клеммы из полосы также не имело успеха из-за ее жесткости и недостаточной податливости.

В эксплуатации железнодорожного пути современных конструкций значительную долю трудоемкости и эксплуатационных затрат занимает текущее содержание [1]. В условиях перехода железных дорог на самофинансирование актуальным является снижение затрат как на капитальный ремонт пути, так и на текущее содержание. Для малонаселенных районов, где бригады по текущему содержанию пути не укомплектованы (Дальневосточная - 53 %, Забайкальская - 54 %, Северная - 60 %), особенно необходима малообслуживаемая конструкция верхнего строения пути. И здесь особое место занимает рельсовое скрепление с применением пружинных клемм.

Актуальность постановки задачи - в минимальные сроки использовать прогрессивные разработки конструкций рельсовых скреплений, технологии изготовления деталей и повышения эффективности производства пружинных клемм - налицо.

Целью представленной работы является обобщение опыта освоения производства прутковых пружинных клемм, поиск рациональных решений по обеспечению стабильности технологического процесса изготовления клемм и разработка рекомендаций по увеличению эффективности их производства.

Работа проводилась в экстремальных условиях изменения формы собственности, распада СССР, разрыва технических и экономических связей с фирмами-поставщиками, финансовых затруднений и социаль-

ной напряженности на ОАО "Магнитогорский калибровочный завод" (МКЗ). Поэтому в ней использованы нетрадиционные методы литературного анализа и оперативного его применения в вопросах выдачи проектного задания на подбор оборудования, оперативной разработки технологии изготовления пружинных клемм, корректировки режимов технологического процесса при пуско-наладочных работах и творческой оперативной модернизации оборудования фирм-поставщиков.

В соответствии с объективной необходимостью участвовать оперативно в решении неожиданно возникших затруднений при освоении производства клемм, автор отошел от традиционно принятого изложения материала диссертации.

Научная новизна конструкторских разработок, результатов исследований в технологии пластической и термической обработки пружинной стали, практическая ценность предложенных решений проявлялись в их немедленной реализации при пуско-наладочных работах и постановке новых задач по преодолению затруднений в освоении производства пружинных клемм.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1.1. Анализ конструкций пружинных клемм

В мировой практике эксплуатации железных дорог известны разнообразные конструкции рельсовых скреплений с использованием пружинных клемм.

От упругих характеристик клемм (пружинных свойств) в значительной степени зависит эффективность эксплуатации железных дорог. Упругие характеристики (жесткость, обратная величина - податливость) зависят от конфигурации клемм, соотношения длин прямых участков и радиусов кривизны переходных участков клеммы с размерами деталей рельсового скрепления.

Из анализа патентов по конфигурации пружинных клемм выявлены три группы клемм, отличающихся величиной жесткости.

К первой группе относятся пружинные клеммы с высокой жесткостью [2,3], ко второй - пружинные клеммы со средней жесткостью [4,5,6 (фирма "Pandrol"), позднее 7 (фирма "Pandrol"), 8 ("Pandrol"), 9]. Более подробному анализу подвергнуты пружинные клеммы третьей группы с низкой жесткостью (высокой податливостью).

Часть пружинных клемм по патентам [10 (фирма "Ewern"), 13,14,15,16,17,18,19 (БПУ),20 (БПУ), позднее 21,22 (БПУ, фирма "Pandrol")] отличается низкой жесткостью, но для их использования необходимо изменение конструкции рельсового скрепления, отличной от отечественного рельсового скрепления КБ. Только для клемм по патентам [6,7,8,10,12,19,20] приведены сведения по эксплуатации.

Конструкции некоторых пружинных клемм или схемы рельсовых скреплений показаны на рис. 1.1... 1.7.

Вторая часть пружинных клемм с низкой жесткостью по патентам [23, позднее 24-26] может быть применена без конструктивных изменений отечественного рельсового скрепления КБ. Конструкция этих клемм запатентована фирмой "\/о581оЬ" (Германия) и показана на рис. 1.6.

В литературных источниках [23,27] представлены результаты испытаний прутковой пружинной клеммы фирмы "Х/оввЬИ" для определения упругих характеристик (рис. 1.8).

Для сравнения в этих же работах представлены результаты испытания двухвитковых шайб. Отмечено, что упругие характеристики пружинной клеммы (податливость) в несколько раз превышают характеристики шайбы. Неудовлетворительные упругие характеристики шайбы требуют частого подкручивания гаек на кпеммных болтах, что увеличивает трудоемкость и эксплуатационные затраты на содержание пути.

Прутковые пружинные клеммы представляют собой детали с пространственной геометрической формой. Конфигурация клеммы составлена многочисленными элементами в виде прямых и переходных участков переменной кривизны, работающими на изгиб и кручение. Пространственная форма клеммы обеспечивает большую длину изгибаемых и скручиваемых участков до мест соприкосновения с рельсом и подкладкой, поэтому клеммы отличаются особо низкими и постоянными значениями жесткости С при больших прогибах и только повышенными значениями С в конце общего прогиба.

В литературном источнике [1] дано обобщение опыта эксплуатации различных рельсовых скреплений в странах, являющихся лидерами в области разработки и создания прогрессивных скреплений. Результаты представлены в таблице.

Рис. 1.1. Конструкция пружинной клеммы фирмы "Evern" (Нидерланды)

-н

Рис. 1.3. Схема рельсового скрепления по [18]

гз

3200

< о:

г» Я.

и

^с (6,00

Ъ Я

«V

8.00

/ 1 1 1

1 у /' 1

I / ' ) у

о V' /// / /

О

2 1Х

Перемещение рельса мм

/б

Рис. 1.8. Упругие характеристики пружинных деталей

рельсового скрепления: 1 - клемма "\/о851о1У по [27]; 2 - двухвитковая шайба; 3 - клемма "Уозз1оЬ" по [23]

Таблица

Параметры эксплуатации различных рельсовых скреплений

Тип скрепления

Н аименование параметров КБ Россия Б П У Россия Англия Германия Франция Нидерланды Польша

Условия эксплуатации:

грузонапряженность, млн.ткм в год 80 90 20 40 20 1 0 30

скорость движения поездов, км /ч а с: пассажирских грузовых 160 1 20 200 1 20 1 90 1 1 2 250 90 250 90 250 90 140 90

Конструктивны е:

количество деталей на узел скрепления, ш т 23 1 5 7-1 1 11-13 1 1 1 5 7

металлоемкость узла скрепления, кг 1 1 ,3 1 1 ,5 1 7 3-1 1 2-3 1 7 5

жесткость клемм на контакте с рельсом, тс/см 18-20 3 1 1 1 2 1 1

В периодической печати систематически указывается на перспективность применения пружинных клемм типа фирмы "\/о581о1"Г' при совершенствовании верхнего строения железнодорожного пути [28], использовании У-образных стальных шпал [29] и безбалластного пути с целью достижения скорости движения поездов свыше 250 км/час [30].

На основании литературного анализа упругих характеристик пружинных клемм, эксплуатационных показателей и большой значимости возможности использования без конструктивных изменений отечественного рельсового скрепления КБ для дальнейшей разработки конструкции клемм, технологии их изготовления и подбора оборудования за основу принята прутковая пружинная клемма фирмы "\/о551о1-|".

В следующем разделе, наряду с литературным анализом, представлены авторские разработки [81...91] технологического процесса изготовления прутковых пружинных клемм в условиях ограниченного времени на подбор оборудования за рубежом, изготовление технологической оснастки и инструмента, выбора средств механизации и автоматизации поточной линии, проведения технологического процесса изготовления прутковых пружинных клемм и монтажа оборудования.

1.2. Разработка технологического процесса изготовления пружинной клеммы на основе конструкции фирмы "\/088101У' в условиях ОАО «Магнитогорский калибровочный завод»

Как отмечалось в предыдущем разделе, разработка технологического процесса изготовления пружинных клемм проводилась одновременно с литературным анализом.

Оригинальная по конструкции и потребительским свойствам клемма потребовала обобщения производственного опыта, использования опытных данных в процессе поиска и сравнения большого числа воз-

можных вариантов изготовления. Задачи разработки технологического процесса многоэкстремальные и многопараметрические. Поэтому для решения поставленных в диссертации задач не понадобился литературный анализ теоретических проблем материаловедения и процессов обработки давлением. Теоретические данные по технологии изготовления пружинных клемм зарубежных фирм неизвестны, в России их нет.

Пристальному вниманию подлежат рекомендации авторов по возможности проведения гибки изделий из прутковой заготовки большого диаметра по сравнению с гибкой изделий из прямоугольного профиля.

Теоретические исследования не учитывают в полной мере быстрого изменения режимов технологического процесса, начиная от выплавки стали, прокатки, термической обработки, пластической деформации, повторных термических обработок и процессов пластического деформирования, и заканчивая окончательной термической обработкой готового изделия, т.е. истории обработки материала прутковой пружинной клеммы. Например, в источниках [31, 36] нет данных по возможности гибки изделий из круглой заготовки с малыми значениями относительного радиуса гибки г^ / Б.

Выбор материала прутковой пружинной клеммы

К материалу для пружин предъявляют высокие требования: после термической обработки они должны обладать устойчивыми во времени упругими свойствами, значительной прочностью и выносливостью, большим сопротивлением ударным нагрузкам, а также достаточной пластичностью.

Кремнистые стали принадлежат к самой распространенной группе легированных сталей, используемых в производстве упругих элементов деталей машин. Причина широкого применения сталей этой группы для

изготовления пружин заключается не только в их низкой стоимости, но, прежде всего, в положительном влиянии кремния на механические свойства металла. Как известно, кремний повышает твердость карбидной фазы твердого раствора, и с этим связано повышение исходной твердости стали при увеличении содержания кремния. По имеющимся данным [37], кремний создает в твердом растворе направленные связи, а при повышенных концентрациях наблюдается упорядоченность в распределении атомов в решетке, что должно повысить напряжение трения решетки и сопротивление движению дислокаций на стадии микропластической деформации. Кремний значительно повышает сопротивление малым пластическим деформациям, что связано с его стабилизирующим влиянием на дислокационную структуру мартенсита и на состояние карбидной фазы.

Хотя сталь марки 40С2А не входит в перечень стандартных материалов, используемых в производстве упругих элементов, однако, она в конкретных условиях эксплуатации рельсовых скреплений может оказаться более приемлемой.

При горячей механической обработке (прокатке, штамповке) кремнистые стали с повышенным содержанием углерода более склонны к образованию на них поверхностных дефектов в виде во