автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и технологии изготовления пружинных клемм крепления рельсов на основе моделирования процесса пластической гибки

К

ОНТРОЛЬНЬ! И

ВИНОГРАДОВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ КРЕПЛЕНИЯ РЕЛЬСОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ГИБКИ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Магнитогорск -2013

005541950

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «МГТУ» Железков Олег Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Машины и технологии обработки материалов давлением» ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» Белков Евгений Григорьевич;

кандидат технических наук, профессор кафедры «Обработка металлов давлением» ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Шемшурова Нина Георгиевна

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента

России Б.Н. Ельцина»

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 15— на заседании диссертационного совета Д 212.111.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «16» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Железнодорожный транспорт (ЖДТ) в нашей стране играет ведущую роль в транспортном обеспечении, так как более 70 % грузовых и 30% пассажирских перевозов осуществляются с использованием ЖДТ. Правительством РФ разработана «Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г.», в которой отмечено, что одним из направлений развития ЖДТ является повышение скорости движения поездов и увеличением массы подвижного состава. Повышение скорости и массы составов возможно только за счет совершенствования и применения новых конструкций верхнего .строения железнодорожного пути, в которых используются железобетонные шпалы и рельсовые скрепления с пружинными клеммами.

Пружинные клеммы являются ответственными элементами рельсовых скреплений. От надежности работы клемм зависят безопасность движения поездов, затраты на монтаж железнодорожного пути и его содержание.

Основная технологическая операция при изготовлении клемм - пластическая гибка в холодном либо в горячем состоянии. В настоящее время в известных методиках исследования процессов гибки прутков используются гипотезы и допущения, которые вносят определенные погрешности в результаты расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС), остаточных напряжений, упругого пружинения и др. Поэтому использования современных методов исследования процессов гибки позволит повысить точность результатов

Кроме того, совершенствование конструкции клемм и процессов их изготовления на основе применения современных методов исследования позволит разработать рекомендации по повышению качества и снижению затрат на производство. Поэтому исследования, направленные на повышение эффективности производства пружинных клемм за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления, следует считать важными и актуальными.

Целью работы является разработка технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности производства и применения пружинных клемм за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления на основе компьютерного и натурного моделирования.

Задачи исследования:

1. Исследовать механические свойства стали марки 40С2А, применяемой при изготовлении пружинных клемм. Построить кривую упрочнения. Разработать режимы подготовки стали марки 40С2А к операциям гибки.

2. Определить внутренние силовые факторы (изгибающий и крутящие моменты), возникающие при установке пружинных клемм и их эксплуатации. Выполнить компьютерное моделирование процесса упругого деформирования пружинной клеммы, по результатам которого определить рациональные форму и размеры поперечного сечения заготовки. Усовершенствовать конструкцию клемм типа ЖБР и АРС, с целью снижения металлоемкости при сохранении эксплуатационных свойств.

3. Выполнить моделирование процессов двухопорной и консольной гибки, по результатам которого определить напряженно-деформированное состояние в изгибаемой заготовке, энергосиловые параметры процессов деформирования, остаточные напряжения и упругое пружинение. Провести экспериментальные исследования процесса гибки.

4. Изготовить опытную партию клемм типа ЖБР. Выполнить оценку соответствия формы и геометрии полученных клемм требованиям нормативно-технической документации. Разработать рекомендации по совершенствованию технологии изготовления пружинных клемм типа ЖБР и АРС.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Аналитические зависимости для определения внутренних силовых факторов, которые возникают в клеммах типа ЖБР и АРС при их установке и эксплуатации. Результаты численного конечно-элементного моделирования про-цессса нагружения клемм круглого и овального поперечных сечений, на основании которых определены рациональные форма и размеры поперечного сечения заготовки.

2. Результаты сопоставительного анализа параметров гибки заготовок овального и круглого поперечных сечений при изготовлении пружинных клемм.

3. Методика определения остаточных напряжений и упругого пружинения, в основу которой положен энергетический методе и теорема о разгрузке, что позволяет с высокой точностью определять параметры процессов гибки на основе результатов конечно-элементного моделирования.

Научная новизна результатов исследования:

1. Установлены аналитические зависимости для определения внутренних силовых факторов (ВСФ), возникающих в клеммах типа ЖБР и АРС при их установке и эксплуатации, что позволило выявить опасные сечения, в которых ВСФ принимают максимальные значения. На основе численного конечно-элементного моделирования процесса нагружения клеммы определены рациональные форма и размеры поперечного сечения заготовки.

2. Подтверждена целесообразность использования при изготовлении гибкой пружинных клемм исходной заготовки овального поперечного сечения вместо круглого, что обеспечивает снижение расхода металла и усилий гибки при сохранении основных эксплуатационных характеристик.

3. Разработана методика определения остаточных напряжений и упругого пружинения, отличающаяся тем, что эти параметры с высокой точностью вычисляются по результатам конечно-элементного моделирования процессов гибки и использования энергетического метода.

Теоретическая значимость результатов исследования заключается в следующем:

- получены новые знания о закономерностях пластического деформирования заготовок круглого и овального сечений при гибке;

- осуществлена адаптация компьютерных конечно-элементных моделей для выявления характера изменения напряжений в процессе гибки и остаточных напряжений по сечению заготовки;

- предложена методика определения упругого пружинения, базирующаяся на энергетическом методе и теореме о разгрузке.

Практическая значимость научных результатов:

1. Разработано новое техническое решении (патент РФ № 105302 на полезную модель «Пружинная клемма рельсового скрепления»), применение которого обеспечивает снижение расхода металла на 20+22%, снижение энергозатрат в процессе гибки и повышение стойкости инструмента.

2. Разработаны рекомендации по совершенствованию технология изготовления пружинных клемм в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ». Предложено использовать горячую гибку на гибочном автомате «MRP» (Германия). Ожидаемый удельный экономический эффект - 2 502 руб/тн.

3. Результаты исследования могут быть внедрены на предприятиях, изготавливающих пружинные клеммы крепления рельсов железнодорожного пути: ОАО «Мотовозоремонтный завод» (г. Пермь), ОАО «Ремпутьмаш» (г. Калуга), ОАО «Спецжелезобетон» (г. Горный, Новосибирская обл.), ООО «Сфера-21» (г. Воронеж), ОАО «Курская подшипниковая компания»; ОАО «Спецжелезобетон» (г. Лиски, Воронежская обл.) и др.

Соответствие паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности диссертационная работа является прикладным исследованием закономерностей пластического деформирования круглой и овальной заготовок в процессе гибки. Исследования направлены на определение рациональных схем и режимов деформирования, при которых обеспечивается получение качественных изделий при снижении энергозатрат и металлоемкости клемм. Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением».

Личный вклад соискателя заключается в непосредственном участии во всех теоретических и экспериментальных исследованиях; в обсуждении и формулировании основных положений и выводов по результатам исследований, направленных на поиск рациональной формы поперечного сечения клемм; в разработке методики определения остаточных напряжений и упругого пружинения при гибке; в подготовке публикаций и заявки на полезную модель; в разработке рекомендаций по использованию результатов исследований в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ».

Реализация работы- Результаты работы приняты к использованию в ОАО «ММК-МЕТИЗ» при изготовлении клемм ОП-Ю5 в части уточнения углов загиба с учетом упругого пружинения. Рассматриваются перспективы изготовления нового для завода вида продукции - пружинных клемм типа ЖБР и АРС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (2009-2012 гг.); Восьмом Конгрессе прокатчиков (г. Магнитогорск, 2010 г.); научно-технической конференции ОАО «ММК-МЕТИЗ» (2010 г.); Четвертом и Пятом Международном промышленном форуме «Реконструкция

промышленных предприятий — прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск, 2011 г., 2013 г.).

Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 16 научных публикациях, из них 3 в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одном патенте на полезную модель РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Текст диссертации изложен на 139 страницах машинописного текста, иллюстрирован 92 рисунками, содержит 10 таблиц. Библиографический список включает 136 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность проблемы повышения качества и экономической эффективности изготовления пружинных клемм, а также необходимость проведения исследований, направленных на совершенствование конструкции и технологии гибки. Кроме того, сформулированы цель и научная новизна работы.

В первой главе рассмотрены применяемые на железных дорогах рельсовые скреплений с использованием упругих элементов, конструкции пружинных клемм и требования, предъявляемые к ним, а также технологические процессы изготовления клемм.

Отмечено, что мировыми лидерами в сфере производства рельсовых скреплений являются фирмы «Рапс1го1» (Великобритания) и «Уобз1оЬ» (Германия), продукция которых используется во всех климатических поясах, при различных условиях эксплуатации (скорость движения поездов, грузонапряженность, осевые нагрузки и т.п.). Однако высокая стоимость скреплений, высокая степень патентной защиты и дороговизна лицензий на производство не позволяет освоить выпуск элементов крепления верхнего строения пути этих фирм на отечественных предприятиях. На российских железных дорогах для крепления рельсов к железобетонным шпалам, в основном, используются скрепления КБ-65, ЖБР-65, АРС-3 и ОП-Ю5.

В данной работе приведены результаты исследований, направленные на совершенствование конструкции и технологии изготовления клемм средней жесткости, таких как ЖБР-65 и АРС-3 (рис.1).

Для изготовления клемм рельсовых скреплений используются пружинные кремнийсодержащие стали марок 60С2, 60С2ХА, 60 С2ХФА, 40С2, 40С2А и др. На основании анализа патентно-информационных материалов установлено, что применение стали марки 40С2А по сравнению с другими сталями обеспечивает возможность использования в качестве закалочной среды воду вместо масла, что удешевляет процесс термической обработки и делает его более экологически безопасным. Кроме того, повышенные пластические свойства стали марки 40С2А позволяют осуществлять процесс гибки в холодном состоянии.

Основной технологической операцией при изготовлении пружинных клемм является гибка, которая представляет собой формообразующую операцию, при которой происходит изменение кривизны оси стержня заготовки, что сопровождается возникновением неравномерных по сечению напряжений и деформаций.

В зависимости от конструкции изделия, изготавливаемого гибкой, конструктивных особенностей применяемого оборудования и инструмента используются различные способы. Наиболее эффективным и прогрессивным является способ гибки с использованием универсально-гибочных автоматов (много-ползунные автоматы), когда изготовление изделия осуществляется на одной позиции с перемещение инструмента в различных направлениях и плоскостях.

а)

б)

Рис. 1. Клеммы ЖБР-65(а) иАРС-З(б) На основании анализа известных технологических процессов изготовления пружинных клемм рельсовых скреплений установлено, что основной операцией известных технологий является пластическая гибка в холодном либо в горячем состоянии. Исследованию пластического изгиба посвящены работы М.В.Сторожева, Е.А. Попова, М.И. Лысова, В.П. Романовского, Н.И. Безухова, А.А.Ильюшина, H.H. Малинина, В.И. Феодосьева, А.Д. Томленова, А. Надаи, Р. Хилла и др. Большинство работ касаются процессов листовой гибки и гибки полосы прямоугольного поперечного сечения. Результаты исследований процессов гибки труб представлены в работах Вдовина С.И., Самусева C.B., Лаки-рева С.Г., Козлова A.B. и др. Однако сравнительно мало исследований, связанных с гибкой прутковой заготовки круглого сечения

Среди современных методов исследования процессов ОМД следует отметить метод конечных элементов (МКЭ), применение которого по сравнению с другими известными методами (метод тонких сечений, метод линий скольжения, вариационные методы, метод граничных элементов и др.), обеспечивает высокую точность результатов расчетов.

В данной работе для моделирования процесса .упругого деформирования клемм при установке, а также процесса упруго-пластического изгиба заготовок при изготовлении клемм использовался программный комплекс «DEFORM-3D™», в основу которого положен МКЭ.

В конце главы сформулированы задачи исследования.

Во второй главе работы изложены результаты исследования реологических свойств стали марки 40С2А. На основании проведенных экспериментов построены кривые упрочнения стали марки 40С2А производства ОАО «ММК». Кривые строились по результатам испытаний на растяжение и сжатие. Испытания на растяжение проводились на испытательной машине AG-50kNICD «Shimadzu». При испытаниях на сжатие использовалась методика М.В. Растягае-ва осадки образцов с торцевыми буртиками, заполненными парафином Испы-

тания на сжатие проводились на испытательной машине АСКЗООкКГС «Shimadzu» в специальном штампе, обеспечивающего параллельность деформирующих поверхностей.

Для экстраполяции кривых упрочнения использовалась экспоненциальная зависимость, предложенная Г.А. Смирновым-Аляевым. Определены коэффициенты уравнения, описывающего кривую упрочнения стали марки 40С2А, которые в дальнейшем применялись при конечно-элементном моделировании процессов деформирования пружинных клемм.

Выполнены металлографические исследования стали марки 40С2А в состоянии поставки (горячекатаный металл), после отжига и калибрования. У горячекатаного металла: макроструктура - поверхностных дефектов нет; микроструктура: феррит + сорбитообразный и пластинчатый перлит. Твердости 220-230 НВ. Структура металла после отжига и калибрования — зернистый перлит 2 балла 75 %).

Третья глава диссертации посвящена исследованию внутренних силовых факторов и напряженно-деформируемого состояния в клеммах при их установке и эксплуатации.

При определении внутренних силовых факторов (изгибающий и крутящий моменты), которые возникают в клемме при её установке и эксплуатации, принимались следующие допущения. Сила, действующая на клемму со стороны крепежного элемента (гайка закладного болта или путевой шурупа) равномерно передается на концевые участки клеммы, то есть на каждый концевой участок действует сила Р (рис.2). При этом на нашпальных дуговых участках в точках контакта клеммы с прокладкой шпалы, возникают сосредоточенные силы в виде реакций Я, а на участке контакта с клеммы с рельсом возникает равномерно распределенная нагрузка интенсивностью д. Используя уравнения равновесия, параметры Яид выражались через Р.

Под действием нагрузок Р, Я, д в поперечных сечениях закрепленной клеммы возникают внутренние силовые факторы: поперечная сила Q, изгибающий Мх и крутящий Мг моменты. Наибольшее влияние на прочность и жесткость оказывают моменты Мх и Мг . Составлены соответствующие аналитические уравнения и определены значения изгибающего момента Мх, крутящего момента М2 и приведенного момента по третьей теории прочности м ^ _ ^м^ + М* по

длине клеммы. На основании выполненных расчетов построены графики изменения относительных моментовМ^/Р Мк/Р МпрШ /Р ■ На рис. 3 показан характер изменения относительного приведенного момента м /р по длине клеммы.

На основании анализа результатов расчетов с установлено, что наибольший приведенный момент М„рШ возникает в сечениях, расположенных на дуговых нашпальных участках в плоскостях, которые проходят через центры дуг под углом 60^65° от начала боковых участков.

Разработана новая конструкция пружинной клеммы (патент РФ 105302),

отличающаяся тем, что поперечное сечение прутка клеммы по всей её длине выполнено в виде центрального прямоугольника и двух сопряженных с ним полукругов (рис.4). Ось симметрии х сечения перпендикулярна плоскости клеммы. Диаметр полукругов равен ширине прямоугольника, а высота прямоугольника составляет (0,45...0,55) его ширины.

Рис.2. Силы, действующие на клемму при установке и эксплуатации

Рис.3. Изменение относительного приведенного момента по третьей теории прочности Мш I Р по длине клеммы

пр

На основании выполненных расчетов из условия равенства моментов инерции относительно оси х определены рациональные размеры клеммы овального сечения (размеры центрального прямоугольника Ъ = 12 мм, й=6,0 мм и диаметр полукругов ¿/=12 мм).

С использованием программного комплекса «ВЕР(ЖМ-31Э» выполнено моделирование процессов упругой деформации пружинных клемм типа ЖБР круглого и овального поперечных сечений. По результатам расчетов

_ установлено:

Рис.4. Поперечное сечение клеммы

1. Максимальная интенсивность напряжений возникает в поперечных сечениях, которые совпадают с опасными сечениями, найденными аналитическим способом, что подтверждает достоверность установленных аналитических зависимостей, по которым определяются изгибающий Мх и крутящий Мг моменты.

2. Клемма с поперечным сечением в виде центрального прямоугольника (ширина Ъ = 12 мм, высота /г= 6,0 мм) и двух сопряженных с ним полукругов (диаметр й? = 12 мм) практически равнопрочна клемме круглого сечения с диаметром 17 мм, так как интенсивность напряжений, возникающая в опасном сечении клеммы овального профиля, близка к значению интенсивности напряжений в опасном сечении клеммы круглого профиля.

3. При деформациях 8^10 мм жесткость клемм круглого и овального сечений практически одинаковая.

Четвертая глава посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния, остаточных напряжений и упругого пружинения при гибке.

Используя программный комплекс «Бейнт-ЗО», выполнено компьютерное моделирование процессов гибки. При моделировании двухопорной гибки рассматривалась деформация заготовки круглого поперечного сечения (диаметр 13 мм) на двух цилиндрических опорах с радиусами Я,= 15 мм пуансоном с радиусом рабочей поверхности Я2 = 5 мм. Расстояние между центрами опор 80 мм.

По результатам выполненных расчетов определены параметры напряженно-деформированного состояния и энергосиловые параметры. В частности, на рис. 5 представлены поля нормальных напряжений на этапе деформирования при перемещении пуансона И = 25 мм. На рис.6 представлена полученная зависимости усилия гибки от перемещения пуансона Р=/(Ъ).

Установлен характер изменения нормальных напряжений СУ2 в вертикальном сечении деформированной заготовки в плоскости перемещения пуансона. Для описания характера изменения нормальных напряжений СУг по сечению предложено использовать полином второй степени вида

СУ^ау-Ьу2 (1)

Определены значения параметров а и Ъ уравнения. Следует отметить, что уравнение (1) с найденными параметрами а и Ь с достаточно высокой точностью описывает изменение сг по высоте сечения (коэффициент детерминации

Я2 в пределах 0,9983-Ю,9991). Таким образом, использование уравнения (1) обеспечивает высокую точность определения изгибающего момента при гибке, в отличие от ранее применяемых методик, когда не учитываются упругие деформации, а изменение о- по высоте сечения принимается либо постоянным, либо

изменяющимся по линейному закону.

Рис. 5. Поля напряжений а на этапе гибки при h = 25 мм

Рис. 6. Зависимости усилия гибки Р от перемещения пуансона h

Изгибающий момент при нагрузке в рассматриваемом сечении

X

М = 2\cjzydA= 4f(ar sin (р - br1 sin2 ср)гъ sin (p cos2 (pdcp (2)

о 0

Интеграл уравнения (1) вычислялся с использованием программного комплекса «Mathcad». На основании выполненных расчетов построен график зависимости изгибающего момента М от угла гибки а (рис.7).

Расчет параметров упругого пружинения осуществлялся на основе энергетического подхода и сформулированной A.A. Ильюшиным теоремы о разгрузке, согласно которой связь между напряжениями и деформациями при разгрузке подчиняется закону Гука, то есть справедлива прямая пропорциональная зависимость между а и деформацией s .

гр

Расчет упругого пружинения по разработанной методике предложено осуществлять в следующей последовательности:

М, Н м

и. рад

О 0,2 0,4 • 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Рис. 7. Зависимость изгибающего момента М от угла гибки СС при г=6,5 мм, Я1=]5мм, Л2 = 5 мм; Ь = 80 мм 1. Строится диаграмма Р=/(Ъ) изменения силы Р гибки от перемещения пуансона й. Такая диаграмма может быть получена либо на основании теоретических исследовании, либо экспериментально.

2. На диаграмме выделяются две зоны: зона начальной упругой деформации и зона пластической деформации. По диаграмме определяются параметры упругой зоны деформации Ру , Ьу , (р и вычисляется работа сил упругой деформации как площадь треугольника.

3. На участке пластического деформирования кривая Р=/(И) с требуемой точностью аппроксимируется полиномом, например 2-ой степени

Р„= ак2+ЪИ +с .

В частности, для аппроксимации кривой участка пластического деформирования, полученной моделированием процесса гибки с использованием МКЭ, получено уравнение =-14,821/г2 + 610,28/г + 7680

4. Пластическое деформирование разбивается на к этапов. Последовательно рассматриваются отдельные этапы деформирования. Например, на некотором г'-ом этапе определяется полная работа гибки как сумма работ сил, вызывающих упругую и пластическую деформации

А = А+А =-РЪ

у ч 2 у у

+

5. Определяется работа сил упругости при разгрузке

1

(3)

(4)

А =-РЛ,

р 2

6. Учитывая, что работа момента А(М)=МСХ , а согласно теореме о разгрузке момент при разгрузке равен моменту при нагружении, получено соотношение А А , где а - угол пружинения (угол при разгрузке).

— = М = —Е- '

а а

р

Вводилось понятие «относительный угол пружинения» а" _ а 1а, который

р р /

из уравнения определялся как а = А ¡А-

р р I

На каждом этапе деформирования определяется относительный угол пру-жинения а~ и строится график зависимости а' = /(а)> используя который

можно определять угол пружинен ия^. при любом перемещении /г пуансона (в

р

любой момент времени процесса гибки).

Экспериментальные исследования процесса гибки проводились на электромеханической испытательной машине АС-50к№СО «ЗЫтаёги». Образец из стали 40С2А (диаметр с! = 13,0 мм) устанавливался на цилиндрические опоры с радиусом Я, = 15 мм (расстояние между центрами опор Ь = 80 мм) и деформировался пуансоном с радиусом рабочей поверхности = 5 мм.

В процессе испытаний осуществляли нагрузку образца до определенной величины и разгрузку практически до нуля. В ходе испытаний записывали машинные диаграммы, одна из которых представлена на рис. 9.

Используя программный комплекс «Вейзгт-ЗО», выполнено компьютерное моделирование процессов двухопорной и консольной гибки заготовок круглого (0 17 мм) и овального (г/ = Ъ— 12мм, /г=6 мм) сечений при температурах 20°С и 900°С (рис.10).

Определены напряженно-деформированное состояние в заготовке и энергосиловые параметры процессов гибки. Установлено, что при гибке овальной заготовки усилие гибки в 2,0-^-2,1 раза меньше, чем при гибке заготовки круглого сечения (рис.11). При этом экономия энергозатрат на одной клемме составляет 2688 Дж. При горячей гибке (г = 900°С) усилия гибки в 5,0^6,6 раз меньше, чем при холодном деформировании (I = 20°С).

В пятой главе изложены результаты испытаний опьггно-промышленной партии клемм ЖБР, изготовленной с использованием разработанного полуавтомата для холодной гибки.

Разработанный технологический процесс гибки пружинных клемм ЖБР включал следующие операции: отрезка заготовки диаметром 17 мм и длиной 510 мм; подача заготовки в узел гибки до упора с опиранием на оправку; загиб концевого участка клеммы на 180° с формированием нашпальной дуги; перемещение заготовки на длину бокового участка клеммы; загиб бокового участка клеммы на 90°; удаление полуфабриката и его подача в узел гибки другим концом; повторение операций гибки другого конца клеммы. Для реализации разработанной технологии в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» был спроектирован и изготовлен полуавтомат для холодной гибки заготовок клемм ЖБР. Привод полуавтомата гидромеханический (гидроцилиндр - рейка - зубчатое колесо).

16000 14000 12000 10000 £6000 6000 4000 2000

г - г 1 -----.АЙАК | ... |......... — 1 41

| 1 1 И

1 Гг 1 щ 41 ы

2 3 А 'В [б | 57

! - | 1 | !

1 I [ . | | 1 Л|

1 1 1 ( 1 1 ! 41

0 2 4

В 10 12 14 16 18 20 ' 22 24 28 28.5 мм

Рис.9. Машинная диаграмма зависимости силы гибки от перемещения пуансона на отдельных этапах нагрузки —разгрузки образцов

Рис.10. Схемы духопорной и консольной гибок заготовок клемм

а)

__ 1

/ \

/ 2

) N

1/

Л V _ 1

/ V \

/ \

У

/ V 2

V V

б)

Рис. Ц. Зависимости усилия Р. от перемещения пуансона к при гибке заготовок круглого (1) и овального (2) сечений при температуре 2СР С : а - двухопорная гибка; б - консольная гибка В условиях кузнечно-прессового цеха ОАО «ММК-МЕТИЗ» была изготовлена опытно-промышленная партия клемм ЖБР. Процесс холодной гибки плоских заготовок клемм осуществлялся на созданном полуавтомате. Окончательная гибка-штамповка клемм из плоской заготовок производилась в специальном штампе, установленном на прессе модели РС-10М1. Термическая обработка осуществлялась в ЦЗЛ ОАО «ММК-МЕТИЗ» в камерной печи СНО - 3.0x6,5 и в условиях кузнечно-прессового цеха на линии СКЗА-5. Режимы термической обработки: закалка (нагрев до 880°+10° С; выдержка - 25-^30 мин; охлаждение в воде с температурой не выше 35 ° С); отпуск (нагрев до 420°± 10° С; выдержка -

30-К35 мин; ускоренное охлаждение).

Готовые, термически обработанные клеммы подвергались контролю микроструктуры, твердости и величины обезуглероженного слоя. Твердость клемм после термообработки составила 46 48 HRC, а глубина обезуглероженного слоя не превышала 0,11 мм, что соответствует требованиям нормативно-технической документации.

Заготовки клемм и готовые изделия на всех этапах передела подвергались контролю на соответствие клемм нормативно-технической документации по геометрии. Основная задача этих исследований - определение влияния технологических факторов на точность исполнения контура клеммы.

Анализ результатов замеров геометрических параметров клемм до и после окончательной термической обработки показывает, что наблюдается значительное искажение профиля клеммы после термической обработки. Большинство контролируемых размеров отличается от номинальных и выходит за допуски, предусмотренные чертежом. Брака составлял 25-30%.

Причины изменения размеров и коробления клемм до конца не ясны и требуют дополнительных исследований. Предполагаемые причины:

1. Релаксация остаточных напряжений, накопленных металлом в процессе холодной пластической деформации.

2. Искажение формы и размеров клемм за счет термических напряжений, возникающих при нагреве и охлаждении в процессе термической обработки, и релаксации термических напряжений с течением времени.

С целью повышения качества клемм и снижения брака предложено два варианта совершенствования технологии:

1) Применить технологию, включающую горячую или полугорячую гибку с использованием гибочного автомата «MRP», что позволит снизить энергосиловые параметры процесса деформирования, обеспечит снижение упругого пру-жинения, остаточных напряжений и релаксации;

2) Клеммы после термической обработки подвергать естественному старению (выдержка в течении определенного времени) и калиброванию основных размеров с использованием имеющегося в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» стенда для обжатия клемм ОП-Ю5.

Основные выводы

1. На основании проведенных экспериментов на растяжение и сжатие построены кривые упрочнения стали марки 40С2А производства ОАО «ММК». Определены коэффициенты уравнения, описывающего кривую упрочнения стали марки 40С2А, которые применялись при конечно-элементном моделировании процессов деформирования пружинных клемм.

2. Установлены аналитические зависимости для определения изгибающего Мх и крутящего М2 моментов, а также приведенного момента по третьей теории прочности M ш по всей длине клеммы при её упругом деформировании. На основании выполненных расчетов установлено, что наибольший приведенный момент М„ „, возникает в сечениях, расположенных на дуговых

нашпальных участках в плоскостях, которые проходят через центры дуг под углом 6(Н65° от начала боковых участков.

3. Разработана новая конструкция пружинной клеммы, отличающаяся тем, что поперечное сечение прутка клеммы по всей её длине выполнено овальным в виде центрального прямоугольника и двух сопряженных с ним полукругов. На основании выполненных расчетов определены рациональные размеры клеммы овального сечения (у прямоугольника Ъ= 12 мм, й=6,0 мм, у полукругов d= 12 мм).

4. По результатам компьютерного моделирования с использованием программного комплекса «DEFORM-3D» установлено следующее:

- максимальная интенсивность напряжений возникает в поперечных сече- . ниях, расположенных на дуговых нашпальных участках в плоскостях, которые проходят через центры дуг под углом 6СИ-65" от начала боковых протяжных участков, что подтверждает достоверность установленных аналитических зависимостей для определения внутренние силовые факторы {Мх, Mz)\

- клемма с поперечным сечением в виде центрального прямоугольника (ширина Ъ = 12 мм, высота /¡=6,0 мм) и двух сопряженных с ним полукругов (диаметр d = 12 мм) практически равнопрочна клемме круглого сечения с диаметром 17 мм, так как интенсивность напряжений, возникающая в опасном сечении клеммы овального профиля, близка к значению интенсивности напряжений в опасном сечении клеммы круглого профиля;

- при деформациях 8^-10 мм жесткость клемм круглого и овального сечений практически одинаковая.

5. По результатам компьютерного моделирования процессов гибки с использованием МКЭ установлен характер изменения нормальных напряжений <Х в очаге деформации по высоте сечения, для описания которого предложено

использовать полином второй степени, и определены параметры, входящие в этот полином. Использование предложенного уравнения обеспечивает высокую точность определения изгибающего момента при гибке, в отличие от известных

методик, когда не учитываются упругие деформации, а изменение СГ. по высоте сечения принимается либо постоянным, либо изменяющимся по линейному закону. Используя полученную зависимость ог = f (у), па основании выполненных расчетов с использованием программного комплекса «Mathcad» установлен характер изменения изгибающего момента М от угла гибки а . Для обобщения полученных результатов, с целью возможности их использования для других сталей и размеров изгибаемой заготовки, введено понятие «приведенный безразмерный изгибающий момент» _ М , где сг& - предел текучести исход-

т~ cjr

So х

ной заготовки; Wx - момент сопротивления сечения клеммы.

6. Разработана методика определения угла упругого пружинения, которая базируется на теореме о разгрузке, сформулированной A.A. Ильюшиным, и энергетическом методе.

7. Используя программный комплекс «Deform-3D», выполнено компьютер-

ное моделирование операций гибки клемм при использовании заготовок круглого сечения (0 17 мм) и овального сечения (с? =Ъ = 12 мм, А = 6 мм). Установлено, что при гибке овальной заготовки усилие гибки в 2,0^2,1 раза меньше, чем при гибке заготовки круглого сечения. При этом экономия энергозатрат на одной клемме составляет 2688 Дж. При горячей гибке (/ = 900°С) усилие гибки в 5,0-Н5,6 раз меньше, чем при холодном деформировании (/= 20°С).

8. По результатам выполненных исследований разработана технология и создан полуавтомат для холодной гибки клемм типа ЖБР, используя который изготовлена опытная партия пружинных клемм ЖБР. Готовые, термически обработанные клеммы подвергались контролю микроструктуры, твердости, величины обезуглероженного слоя и геометрии. На основании выполненных замеров основных размеров установлено, что клеммы, изготовленные холодной гибкой, из-за наличия остаточных напряжений и их релаксации при термической обработке претерпевают изменение размеров. Это приводит к образованию брака, который составляет 25-30%.

9. С целью повышения качества клемм и снижения брака предложено два варианта совершенствования технологии:

- использовать технологию, включающую горячую или полугорячую гибку, что позволит снизить силовые параметры процесса деформирования, обеспечит снижение упругого пружинения, остаточных напряжений и релаксации;

- клеммы после термообработки подвергать естественному старению (выдержка в течение определенного времени) и калиброванию основных размеров.

Разработанные рекомендации приняты к внедрению в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ». Ожидаемый экономический эффект - 2 502 руб/тн.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гуров В.Д., Виноградов А.Г. Улучшение качества крепежных изделий и снижение расхода металла при их изготовлении / «Сталь», 2005, № 12. С.52-54. (издание, рекомендованное ВАК).

2. Исследование факторов, определяющих качество калиброванной стали и изготавливаемых из неё крепежных изделий/ В.Д. Гуров, С.А. Семихатский, А.И. Кузнецова, А.Г. Виноградов // «Метизы», 2007, № 1. С. 55-60.

3. Рудаков В.П., Кузнецова А.И., Виноградов А.Г. Исследование зависимости механических характеристик стали от параметров её структуры при производстве железнодорожных клемм ЖБР / «Метизы», 2008, № 3. С. 14-15.

4. Современное состояние и пути повышения эффективности производства крепежных изделий в условиях конкурентных рыночных отношений / В.П. Рудаков, С.А. Семихатский А.Г. Виноградов и др. // «Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением», 2008, № 10. С. 22-25 (издание, рекомендованное ВАК).

4. Виноградов А.Г., Рудаков В.П., Железков О.С. Проблемы обеспечения стабильности формы и размеров пружинных клемм ЖБР в процессе их изготовления / Образование. Наука. Производство. Сб. науч. тр. Вып. 4. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С. 8-11.

5. Железков О.С., Виноградов А.Г. Исследование внутренних силовых факторов, возникающих в пружинных клеммах при их установке / Производство конкурентоспособных метазов. Сб. науч. тр. Вып. 3. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С.117-120.

6. Изменение формы и размеров пружинных клемм ЖБР в процессе их изготовления

/ В.П.Рудаков, А.Г.Виноградов, О.С.Железков и др. // Процессы и оборудование металлургического производства. Межрегион сб. науч. тр. Вып. 9. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2009. С.159-161.

7. Исследование процесса гибки пружинных клемм ЖБР с использованием метода конечных элементов / А.Г. Виноградов, О.С. Железков, К.Ю. Морозов и др. //Обработка сплошных и слоистых материалов. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 36. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2010. С. 68-70.

8. Компьютерное моделирование операции гибки применительно к изготовлению железнодорожных клемм ЖБР / О.С. Железков, К.Ю. Морозов, В.А. Ханафина, А.Г. Виноградов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 68-ой межрегион. нучн.-техн. конф. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С. 302-304.

9. Исследование напряженно-деформированного состояния в процессе гибки пружинных клемм / О.С. Железков, В.А. Ханафина, К.Ю. Морозов, А.Г. Виноградов // Тезисы доклада Международного форума «Реконструкция про-мышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» - Челябинск, 2011: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та. им. Г.И.Носова. С.49-51.

10. Железков О.С., Виноградов А.Г. Совершенствование конструкции пружинных клемм. / Обработка сплошных и слоистых материалов. Сб. науч. тр. под ред. М. В.Чуки-на.- Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та. им. Г.И.Носова 2011. С. 122125.

11. Напряженно-деформированное состояние при гибке пружинных клемм типа ЖБР / О.С. Железков, А.Г. Виноградов, В.А Ханафина и др. /Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Материалы 69 -ой науч.-техн. конф. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2011-С. 177-179.

12. Патент РФ № 105302 на полезную модель «Пружинная клемма рельсового скрепления» / О.С. Железков, А.Г. Виноградов, В.А.Костенко. Опубл. 10.06.2011.

13. Экспериментальные исследования процесса холодной гибки прутков из стали 40С2А /. О.С. Железков, С.А. Малаканов, А.Г. Виноградов и др. // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Международ, сб. науч. тр. под ред. В.М. Салганика: Изд-во Магнитогорск, гос.тех. ун-та им. Г.И.Носова, 2012. - С. 46-48.

14. Компьютерное моделирование процесса гибки пружинных клемм типа ЖБР / О.С. Железков, А.Г. Виноградов, В.А. Арзамасцева и др. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Материалы 70 -ой науч.-техн. конф. — Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та. им. Г.И.Носова, 2012. - С. 172- 173.

.15. Малаканов С.А., Железков О.С., Виноградов А.Г. Геометрические параметры процесса двухопорной гибки прутков / Обработка сплошных и слоистых материалов. Сб. науч. тр. под ред. М. В.Чукина.- Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та. им. Г.И.Носова. 2012. С.163-166.

16. Совершенствование технологических процессов изготовления фасонных профилей, крепежных изделий и пружинных клемм крепления рельсов / О.С.Железков, Н.ПМорозов, А.Г. Виноградов и др. // Тезисы доклада Международного форума «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» - Челябинск, 2013. С.75-77.

17. Железков О.С., Виноградов А.Г., Малаканов С.А. Энергетический метод определения упругого пружинения при гибке стержневых заготовок / «Кузнечно-штамповоч-ное производство. Обработка материалов давлением», 2013, № 7. С. 23-25. (издание, рекомендованное ВАК).

Подписано в печать 15.11.2013 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 655.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И.Носова»

04201452446 и

и На правах рукописи

ВИНОГРАДОВ Александр Георгиевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ КРЕПЛЕНИЯ РЕЛЬСОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ГИБКИ

Специальность 05.02.09 -Технологии и машины обработки давлением

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Железков О.С.

Магнитогорск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................4

1. Проблемы изготовления и эксплуатации пружинных клемм крепления рельсов железнодорожного пути. Задачи исследования...........................7

1.1. Конструкции рельсовых скреплений с использованием упругих элементов.............................................................................. 7

1.2. Конструкции клемм и требования, предъявляемые к клеммам. Технологические процессы изготовления пружинных клемм..................14

1.3. Метод конечных элементов и его основные положения, используемые в программном комплексе «БЕРСЖМ-ЗО»..................................27

1.4. Задачи исследования.........................................................32

2. Механические свойства стали марки 40С2А, применяемой для изготовления пружинных клемм крепления рельсов железнодорожного пути........33

3. Анализ внутренних силовых факторов и напряженно-деформированного состояния в пружинной клемме при её нагружении............................ 48

3.1. Определение внутренних силовых факторов в пружинных клеммах типа ЖБР при установке и эксплуатации..........................................48

3.2. Совершенствование конструкции клеммы ЖБР..................... 57

3.3. Моделирование процессов упругой деформации пружинных клемм типа ЖБР круглого и овального поперечных сечений с использованием программного комплекса «БЕРОПМ-ЗО»............................................. 62

4. Теоретические и экспериментальные исследования процесса гибки ...72

4.1. Геометрические параметры процесса гибки...........................72

4.2. Напряженное состояние и изгибающий момент в очаге деформации при гибке..............................................................................75

4.3. Исследование упругого пружинения после гибки..................81

4.4. Экспериментальные исследования процесса гибки...................87

5. Изготовление и испытания опытно-промышленной партии

пружинных клемм ЖБР...............................................................100

5.1. Технология и основные технические характеристики полуавтомата для гибки клемм......................................................................100

5.2. Испытания опытно-промышленной партии клемм ЖБР...........103

5.3. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологии изготовления пружинных клемм типа ЖБР............................................. 115

5.4. Расчет экономического эффекта.........................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................120

Список использованных источников...........................................123

Приложения..........................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Российская Федерация обладает разветвленной сетью железных дорог, которая постоянно развивается, усовершенствуется и требует существенных затрат на свое содержание и эксплуатацию. Железнодорожный транспорт (ЖДТ) в нашей стране играет ведущую роль в транспортном обеспечении, так как более 70 % грузовых и 30% пассажирских перевозов осуществляются с использованием ЖДТ. Правительством РФ разработана «Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г.» [1], в соответствии с которой к 2030 г. предполагается ввести в эксплуатацию более 20 тысяч новых железнодорожных линий, электрофицировать 7000 км путей, увеличить протяженность скоростных дорог (скорость до 350 км/час) до 1500 км. Внедрение разработанных мероприятий позволит увеличить грузооборот в 1,7 раза, а скорость доставки грузов на 25%.

Среди основных тенденций развития ЖДТ необходимо выделить направления, связанные с повышением скорости движения поездов и увеличением массы подвижного состава, что ведет к существенному повышению нагрузки на рельсовые скрепления железнодорожного пути. Поэтому только за счет совершенствования и применения новых конструкций верхнего строения железнодорожного пути возможно обеспечить повышение скорости движения и массы подвижного состава [2].

Традиционная конструкция верхнего строения железнодорожного пути с использованием деревянных шпал, костылей и противоугонов не отвечает современным требованиям, предъявляемым к железнодорожному полотну для прохождения составов большой массы на высоких скоростях. За рубежом, а в последнее время и в нашей стране, все шире внедряются железобетонные шпалы с пружинными клеммами для крепления рельсов [3-5]. Использование рельсовых скреплений с использованием пружинных клемм позволяет существенно снизить затраты на текущее содержание пути.

Технические требования к промежуточным рельсовым скреплениям, применяемым в России, по большинству параметров совпадают с требованиями,

предъявляемыми к соответствующим узлам за рубежом. Однако проблему рельсовых скреплений для отечественных железных дорог существенно усложняют особенности их эксплуатации - более высокая грузонапряженность, разнообразные и тяжелые климатические условия, продолжительность периода отрицательных температур и др. Эти особенности ограничивают возможность прямого использования зарубежного опыта.

Пружинные клеммы являются ответственными элементами рельсовых скреплений. От надежности работы клемм зависят безопасность движения поездов, затраты на монтаж железнодорожного пути и его содержание.

Особенности эксплуатации пружинных клемм заключаются в том, что наиболее нагруженными являются поверхностные слои прутка клеммы. Напряжения кручения и изгиба, действующие в поверхностных слоях и принимающие наибольшие значения в местах технологических перегибов клемм, могут при наличии дефектов на поверхности клемм в виде трещин, волосовин, рисок, вмятин от технологической оснастки приводить к излому клемм в процессе эксплуатации.

Основная технологическая операция при изготовлении клемм - пластическая гибка в холодном либо в горячем состоянии. В настоящее время в известных методиках исследования процессов гибки прутков используются гипотезы и допущения, которые вносят определенные погрешности в результаты расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС), остаточных напряжений, упругого пружинения и др. Поэтому использования современных методов исследования процессов гибки позволит повысить точность результатов ,

Таким образом, совершенствование конструкции клемм и процессов их изготовления на основе применения современных методов исследования позволит разработать рекомендации по повышению качества и снижению затрат на производство. Поэтому исследования, направленные на повышение качества пружинных клемм за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления, следует считать важными и актуальными.

Целью работы является разработка технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности производства и применения пружинных клемм за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления на основе компьютерного и натурного моделирования.

Научная новизна результатов исследования:

1. Установлены аналитические зависимости для определения внутренних силовых факторов (ВСФ), возникающих в клеммах типа ЖБР и АРС при их установке и эксплуатации, что позволило выявить опасные сечения, в которых ВСФ принимают максимальные значения. На основе численного конечно-элементного моделирования процесса нагружения клеммы определены рациональные форма и размеры поперечного сечения заготовки.

2. Подтверждена целесообразность использования при изготовлении гибкой пружинных клемм исходной заготовки овального поперечного сечения вместо круглого, что обеспечивает снижение расхода металла и усилий гибки при сохранении основных эксплуатационных характеристик.

3. Разработана методика определения остаточных напряжений и упругого пружинения, отличающаяся тем, эти параметры с высокой точностью вычисляются по результатам конечно-элементного моделирования процессов гибки и использования энергетического метода.

1. ПРОБЛЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ КРЕПЛЕНИЯ РЕЛЬСОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Конструкции рельсовых скреплений с использованием упругих

элементов

Мировыми лидерами в сфере производства рельсовых скреплений являются фирмы «Рапёго1» (Великобритания) и «УовБЬИ» (Германия), которые на протяжении многих лет работают в этом направлении. Продукция вышеназванных фирм используется во всех климатических поясах, при различных условиях эксплуатации (скорость движения поездов, грузонапряженность, осевые нагрузки и т.п.). Однако высокая стоимость скреплений, высокая степень патентной защиты и высокая стоимость лицензий на производство не позволяет освоить выпуск элементов крепления верхнего строения пути фирм «Рапс1го1» и «УозэЬЬ» на отечественных предприятиях.

Специалистами фирмы «Рапс1го1» (Великобритания) разработан целый комплекс рельсовых скреплений, некоторые из которых запатентованы в нашей стране [6-8]. Типовая конструкция рельсового скрепления содержит анкер 1, замоноличенный в железобетонной шпале, упругую клемм 2 сложной пространственной формы, выполненную из пружинной стали, изолятор 3 и прокладку 4.

Рис. 1.1. Рельсовое скрепление «Рапс1го1»: 1 - анкер; 2- клемма; 3 - изолятор; 4 - прокладка

Другая запатентованная конструкция рельсового скрепления фирмы «Рапс1го1» (рис. 1.2) содержит плоскую пружинную клемму 1, выполненную в форме буквы «М» в плане [9]. В работе [25] отмечаются преимущества этого скрепления, которое названо «Пендрол Фастклип»: малое количество деталей, высокая надежность, стабильность силы прижатия рельса к шпале, анти-вандальность (невозможно разобрать без специального инструмента).

Рельсовые скрепления фирмы «УоббЫ!» (Германия) [10-12] широко используется на железных дорогах различных стран мира (рис. 1.3). Пружинная клемма, применяемая в рельсовом скреплении «УоббЫ!», изготавливается из кремнистых пружинных сталей, имеет сложную пространственную формы, обладает большой податливостью (малой жесткостью) и обеспечивает надежное прижатие рельса к подкладке. Малая жесткость обеспечивается за счет большой длины изгибаемых и скручиваемых участков. В литературе отмечаются технические преимущества применения рельсового скрепления «УоззЬИ» в верхнем строении железнодорожного пути [2]. Однако высокая стоимость конструкции и высокая стоимость лицензии на производство сдерживают потребителей от использования этого рельсового скрепления.

Ь-з

Фиг.1

Рис. 1.2. Рельсовое скрепление «Пендрол Фастклип» по патенту [9]

(Щ 1

т i L Ч // АН

<__

Рис. 1.3. Рельсовое скрепление «Vossloh» На российских железных дорогах широко применяется клеммно-болто-вое рельсовое скрепление КБ-65 (рис. 1.4), в котором рельс к подкладке прижимается жесткими клеммами, надеваемыми на клеммные болты, а фигурные головки болтов заводятся в пазы подкладочных реборд [3, 4, 17]. Под гайки клеммных болтов ставятся двухвитковые пружинные шайбы. Металлические подкладки укладывают на наклонную (для обеспечения подуклонки рельсов) подрельсовую площадку, заглубленную в тело шпалы на 15-25 мм. Для электро- и виброизоляции на бетон под подкладку кладут резиновую прокладку толщиной 6-8 мм. Подкладка крепится к шпале закладными болтами; при этом головки болтов опираются на замоноличенную в бетон металлическую шайбу, которая при затяжке монтажных гаек равномерно распределяет нагрузку на бетон. Электроизоляция подкладок от шпал осуществ-

ляется нашпальной прокладкой и втулкой из текстолита, надеваемой на стержень закладного болта.

9 6 1 7

Рис. 1.4. Рельсовое скрепление КБ-65:

1 - прокладка ПР 65; 2- скоба для изолирующей втулки; 3 - втулка изолирующая КБ; 4 — прокладка ПБР 65x7; 5 - прокладка КБ-10; 6 - болт клеммный, 7 — болт закладной М22х175; 8 - гайка М22; 9 - жесткая клемма подкладка КБ 65; 11- шайба двухвитковая

Недостатками конструкции типа КБ являются многодетальность (21 деталь в каждом узле скреплений), материалоемкость (общая масса металлических и полимерных деталей на 1 км пути составляет соответственно 41,6 и 2,1 т) и наличие около 16 тыс. болтов на 1 км пути, содержание которых (очистка от грязи, смазка, подтягивание гаек и т.п.) требует больших затрат. Кроме того, при затяжке гайки пружинная шайба сжимается и её податливость практически исчерпывается. Поэтому возникающие при движении поездов циклические нагрузки могут вызвать перемещение рельса относительно шпал. Конструкцию следует считать устаревшей.

Одним из видов рельсовых скреплений, рекомендованных Министерством путей сообщения (МПС) для серийного внедрения, является ЖБР-65 [4,5,17,26, 126-130]. Конструкция рельсового соединения ЖБР-65 с использованием закладного болта представлена на рис. 1.5, а с использованием путе-

вого шурупа - на рис. 1.6. Это универсальное рельсовое скрепление разработано ПТКБ ЦП (г. Москва) на основе широких эксплуатационных испытаний отечественных скреплений БП, ЖБ и ЖБР. В качестве упругого элемента в таком скреплении использована пружинная клемма ЖБР-3. По своим параметрам скрепление ЖБР-65 не уступает лучшим зарубежным образцам, а по цене оно значительно дешевле зарубежных аналогов.

Рис. 1.5. Скрепление рельсовое ЖБР - 65 с закладным болтом К недостаткам рельсового скрепления ЖБР следует отнести необходимость периодического затягивания резьбовых элементов (путевой шуруп или гайка закладного болта), так как в процессе эксплуатации происходит релаксация упругих свойств пружинной клеммы, что приводит к снижению усилия прижатия рельса к шпале [4].

Рис. 1.6. Скрепление рельсовое ЖБР - 65 с путевым шурупом: 1 - шуруп путевой с шестигранной головкой; 2 - шайба плоская; 3 - клемма ЖБР; 4 - дюбель полимерный; 5,6- прокладки: 7 - плита. Одной из тенденций в совершенствовании конструкций рельсовых

скреплений для железобетонных шпал является создание безболтовых анкерных конструкций с упругими клеммами. Для российских железных дорог разработано (МИИТ, г. Москва) анкерное рельсовое скрепление АРС (рис. 1.7), предназначенное для магистральных линий без ограничений по грузонапряженности и скоростям движения поездов [4,5,19, 26] .

Рис. 1.7. Анкерное рельсовое скрепление АРС-3: 1- монорегулятор; 2 - клемма пружинная; 3 - подклеммник; 4 - анкер;

5 - изолятор; 6 - прокладка

APC характеризуется высокой надежностью и стабильностью рельсовой колеи, малодетальностью (отсутствием резьбовых соединений), простотой сборки и эксплуатации и, как следствие, высокой экономической эффективностью. По сравнению с КБ-65 на 30% снижена маретиалоёмкость конструкции, что позволяет экономить на каждом километре пути не менее 15т металла.

К недостаткам конструкции следует отнести сложность и трудоёмкость изготовления некоторых деталей, таких как анкер и монорегулятор, для чего приходится применять литье и механическую обработку.

Также существует большое количество других запатентованных рельсовых скреплений, подобных «Pandrol», «Vossloh», ЖБР и АРС, которые отличаются незначительными конструктивными отличиями [20-23].

Рельсовое скрепление по патенту РФ 2185471 [20] (рис. 1.8) отличается от рельсового скрепления ЖБР тем, что под каждую электроизолирующую втулку введена скоба, взаимодействующая с пружинной клеммой, которая выполнена из пруткового материала П-образной в плане формы с отогнутыми внутрь и к полке концами.

Рис. 1.8. Рельсовое скрепление по патенту РФ 2185471 [20]

Конструкция рельсового скрепления по патенту [21] во многом совпадает с конструкцией рельсового скрепления АРС (рис.1.9). Исполнение клеммы практически аналогично АРС. Изменены конструктивные элементы анкера и прокладок.

Фиг. 16

Рис. 1.9. Рельсовое скрепление по патенту РФ 2254407 [21]

1.2. Конструкции клемм и требования, предъявляемые к клеммам. Технологические процессы изготовления пружинных клемм

В работе [13] рекомендуется рельсовые скрепления условно разделять на три группы:

1. Скрепления с упругими элементами большой жесткости (малой податливостью).

2. Скрепления с клеммами средней жесткости и податливости.

3. Скрепления с клеммами малой жесткости (большой податливостью)

К первой группе относятся скрепления, подобные КБ-65, у которых в качестве упругого элемента используется двухвитковая пружинная шайба (см. рис. 1.4). Большое количество деталей и значительные затраты на обслу-

живание и содержание пути (регулярные очистка, смазка и подтягивание гайки) делают это скрепление малоэффективным.

Вторую группу составляют клеммы типа ЖБР, АРС, «Пендрол Фастк-лип» и т.п., которые имеют пло�