автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства железнодорожных пружинных противоугонов с целью повышения их эксплуатационных характеристик

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПРУЖИННЫХ ПРОТИВОУГОНОВС ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ их ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением. Технические науки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Дзюба Виктор Павлович

Магнитогорск 2010

004604411

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Владимир Гаврилович Паршин

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук Виктор Петрович Анцупов кандидат технических наук Александр Алексеевич Соколов

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Защита состоится «24» июня 2010 г. в 14 00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 в Магнитогорском государственном техническом университете по адресу:

455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый

зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета.

Автореферат разослан «22» мая 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Ю. В. Жиркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Железнодорожный путь является одним из важнейших технических средств железных дорог, от состояния которого зависит непрерывность и безопасность движения поездов, объемы перевозок, а также эффективность использования подвижного состава.

Одним из неблагоприятных явлений, возникающих при работе железнодорожного пути, является угон рельсов, который возникает вследствие взаимодействия рельсов с колесами подвижного состава. При угоне рельсы сдвигаются со своих мест и увлекают за собой часть шпал, наблюдается перекос шпал, выпадение подрельсовых прокладок, что в конечном итоге, если не принимать соответствующих мер, может привести к аварийной ситуации.

Для устранения угона на участках пути с деревянными шпалами на подошву рельсов ставят противоугоны, в качестве которых применяют специальные пружинные скобы, надеваемые (защелкиваемые) на подошву рельсов. Несмотря на то, что в промышленно развитых странах, а в последние годы и в нашей стране, наметилась тенденция, связанная с применением в конструкции верхнего строения железнодорожного пути железобетонных шпалах с клеммными соединениями, деревянные шпалы с костылями и противоугонами все еще широко используются, особенно в районах с резкими перепадами температур (Сибирь, Дальний Восток, Приполярье). А учитывая то, что количество противоугонов при установке составляет не менее 13 пар на звене длиной 25 м., потребность в противоугонах весьма значительна.

При изготовлении противоугона в процессе гибки-штамповки заготовки на горячегибочных автоматах при формировании упорного выступа на поверхности, противолежащей поверхности контакта заготовки с гибочной оправкой, образуется впадина («седловина»). В процессе эксплуатации противоугонов с «седловиной» происходит подрезка подошвы рельса, интенсивный износ контактных зон и соскальзывание с места первоначальной посадки. При этом снижаются эксплуатационные характеристики противоугонов: снижается сопротивление продольному сдвигу и уменьшается циклическая стойкость. Поэтому исследования, направленные на совершенствование технологии изготовления и повышение качества противоугонов, являются важными и актуальными.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии производства железнодорожных пружинных противоугонов методом гибки-штамповки, реализация которой позволит повысить эксплутационные характеристики противоугонов.

Для достижения вышеуказанной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- разработать математическую модель формоизменения в процессе гибки на оправке малого радиуса заготовок прямоугольного и трапецеидального поперечных сечений;

- разработать методику определения рациональной формы поперечного сечения исходной заготовки, применение которой при изготовлении противоугонов исключит образование технологического дефекта в виде «седловины»;

- разработать технологические процессы прокатки прутков трапецеидального профиля и гибки-штамповки противоугонов улучшенной конструкции;

- разработать новые технические решения, применение которых обеспечит повышение качества железнодорожных противоугонов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основе решения вариационной задачи теории пластичности разработана математическая модель формоизменения в процессе гибки заготовок прямоугольного и трапецеидального поперечных сечений на оправке малого радиуса, позволяющая определить поля перемещений в поперечном сечении очага деформации;

- на базе приема «зеркального отображения» разработана методика определения рациональной формы и размеров поперечного сечения исходной заготовки, применение которой позволяет исключить образование «седловины» на поверхности, противоположной контакту заготовки с оправкой;

- на основе использования последовательного симплекс-метода и результатов экспериментальных исследований определена рациональная форма поперечного сечения исходной заготовки для изготовления противоугонов с повышенными эксплутационными характеристиками.

Практическая ценность 1. На основе расчета калибровки валков и режимов обжатий разработана технология прокатки трапецеидального профиля для изготовления противоугонов с повышенными эксплутационными

характеристиками в двухвалковой клети среднесортного прокатного стана ОАО «ММК».

Рекомендована форма поперечного сечения заготовки в виде трапеции (24 х 16) х 24 мм с выпуклым большим основанием, радиус которого составляет 384-42 мм.

2. Разработан и спроектирован автоматический кантователь заготовок трапецеидального поперечного сечения, предназначенный для работы на непрерывной линии гибки-штамповки с индукционным нагревом металла.

3. Усовершенствована технология гибки-штамповки противо-угонов с повышенными эксплуатационными характеристиками и уменьшенной на 22 % металлоемкостью по сравнению с противоугонном по ГОСТ 19893-74.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые материалы: получение и технологии обработки» (Красноярск, 2001 г.); 1-ой Российской конференции по куз-нечно-штамповочному производству «Кузнецы Урала-2005» (Екатеринбург, 2005 г.); IV Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008 г.), на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова» в 2002-09 гг., а также на расширенном заседании кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова».

Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в 15 публикациях, включающих 2 свидетельства РФ на полезную модель.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников, включающего 94 наименования и 7 приложений. Работа содержит 118 страниц машинописного текста, 29 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы повышения качества железнодорожных противоугонов, отмечена цель работы и краткое содержание разделов диссертации.

Первая глава посвящена анализу основных существующих конструкций железнодорожных противоугонов и технологий их изготовления. Определены основные эксплуатационные требования и приведена сравнительная характеристика существующих конструкций и технологий изготовления железнодорожных противоугонов. Установлено, что в процессе горячей гибки-штамповки из заготовок прямоугольного сечении у противоугонов на упругом выступе в зоне контакта с подошвой рельса образуется «седловина» (рис.1), которая снижает эксплуатационные характеристики изделий.

А _____

Рис. 1. Схема сил, действующих на противоугон в процессе эксплуатации, и «седловина» на упругом выступе

Проанализированы особенности технологических процессов гибки горячего металла. Выявлены основные недостатки известных технологических процессов. Приведены способы устранения технологических дефектов в различных процессах гибки-штамповки.

На основании проведённого анализа определена цель работы и поставлены задачи исследования, которые отражены во вступительной части автореферата.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям формоизменения в очаге деформации при поперечном изгибе бруса на оправке малого радиуса (рис.2).

Рассматривая деформирование в цилиндрической системе осей координат г,г,ср, установлено, что искажение поперечного сечения

при гибке вызвано одновременным действием напряжений по трем взаимно перпендикулярным направлениям: радиальном (в плоскости

-Д

действия поперечной силы), тан- генциальном (в направлении удлинения продольных слоев бруса) и аксиальном (по ширине бруса).

Предложено общую задачу определения формоизменения упростить, разбив ее на составляющие:

- определить линейные радиальные перемещения от удлинения заготовки в тангенциальном направлении, приняв, что происходит только общее уменьшение высоты поперечного сечения в радиальном направлении без образования "седловины" и без искажения поперечного сечения в аксиальном направлении;

- определить нелинейные радиальные перемещения от местного пластического сдвига продольных слоев за счет действия касательных напряжений, учитывая искажение поперечного сечения в радиальном направлении, выраженное в образовании "седловины" и искажении поперечного сечения в аксиальном направлении, что выражается в появлении трапециевидности первоначально прямоугольного поперечного сечения бруса.

Рассматривая первую часть задачи, получили формулу для расчета радиальных перемещений, учитывающую общее изменение высоты поперечного сечения в радиальном направлении без учета искажения формы и образования "седловины".

+ (1) где х- ширина заготовки; Яг радиус оправки.

При решении второй час- ти задачи использовали вариационный метод. Исходное вариационное уравнение принципа Лагранжа

V 5

где Г - интенсивность деформаций сдвига; 1/х, 11у- функции перемещений;^ - предел текучести материала при сдвиге; V - объем

пластической зоны; 5 - площадь поверхности контакта заготовки с инструментом; а - коэффициент, учитывающий трение на поверхности контакта, после соответствующих преобразований для условий вышеотмеченной задачи приобрело вид

т ™ яг2 * ди

-Ь- .г-Ж-сЬ + а-т, = (3)

2Гс д, о дал о дах

При решении задачи использовали следующие допущения:

1. Инструмент абсолютно жесткий, а деформируемый материал однородный и несжимаемый.

2. Деформируемый материал представляет собой жестко-пластичес-кую неупрочняющуюся среду, то есть упругими деформациями пренебрегали, а предел текучести есть величина постоянная, не зависящая от величины и скорости деформации.

3. Касательные силы граничного, пластического трения определяли по закону Зибеля.

В соответствии с применяемым методом Ритца задавали функцию вертикальных перемещений в виде

и:=-е.2 + 2£-г-{\~Г-~^) + а1 (1-1^1).(1-^-)- (4)

Используя соответствующие дифференциальные уравнения Ко-ши, условие несжимаемости и граничные условия, определяли функцию радиальных перемещений иг и интенсивность деформаций сдвига Г.

Разработанная методика использовалась при определении формоизменения в процессе гибки исходной заготовки прямоугольного сечения 20x24 мм на оправке с радиусом /?/= 6 мм. По результатам выполненных расчетов определены радиальные и аксиальные перемещения в характерных точках поперечного сечения (рис.3).

2.0*

1ХШ2Х:

31.0*

п*

0.11

I

0. 74 р.

Ь. ;—

1 с. ап.

ШШОЦЬ

2.0* £

к*

П 10* I -о

.........^тгнтптги

3.67*

0.40"

О. I /_

п 1 о * и.! з -

п*

___

Г0.21

&П ГУ/

и. о» / ППХЕ

т

17ТТТГЯ~ггг'

Л*

,. „ п \ л-Л и. ( /* <4! ' «гшиЗ:

,0.1 У

р 0.79

ХЕШИ'

0.43*

). 08

0.14

и. 0 3\

0.231

0.06

и.ОУ /

¥

и.30 Ь

1.09

Т

1 84*

ПОХШШ

1 39* тггШЛШ

0.74*

пхггШШ

0.009

ПЛХШ

.008

0

3 хз

ОТШП 0

ШПЩ

п

'^шящ:

2=5.0

2 = 0

'.-¿л

] и

Рис.3. Картина радиальных и аксиальных

(помеченных *) перемещений при гибке исходной заготовки

сечением 20x24 мм на оправке с Л = 6 мм

Для определения рациональной формы исходной заготовки, исключающая появление технологического дефекта «седловина», применен прием «зеркального отображения», который включает следующие этапы:

1. Задаются исходные данные: радиус гибочной оправки Яг, размеры исходного поперечного сечения исходной заготовки И, с, коэффициент внешнего трения ц; условное предварительное перемещение дн при г = Я и г = Л; координаты точек поперечного сечения заготовки А, (г, г), в которых требуется определить компоненты перемещений.

2. Используя вышеизложенную методику исследования формоизменения при гибке на оправке малого радиуса (вариационный метод), определяются компоненты перемещений в радиальном II г и аксиальном Vг направлениях по периметру предварительной исходной заготовки.

3. В определенном масштабе диаграмма деформаций накладывается на контур предварительной исходной заготовки (рис.3, б).

4. Осуществляется зеркальное отображение диаграммы деформаций относительно контура предварительной исходной заготовки (рис.3, в).

5. Определяется контур исходной заготовки по наружному контуру зеркально отображенной диаграммы деформации (рис.3, г).

в г

Рис.3. Этапы применения приема «зеркального отображения»

В третьей главе представлены экспериментальные исследования влияния конструктивно-технологических параметров на формоизменение при изгибе на оправке малого радиуса заготовок прямоугольного и трапецеидального поперечного сечения. Эксперименты проводились в лабораторных и промышленных условиях.

В лабораторных экспери- ментах использовали свинцовые образцы заготовок сечением 25 х 25 мм в соответствии с требованиями ГОСТ 19893-74 и трапециевидного (24 х 16) х 24мм поперечных сечений. Деформированное состояние определяли методом координатных сеток, которые наносили на поверхности образцов и в очаг деформации (сетку получали заливкой свинца в специальную изложницу, где размещался каркас из тонких медных проволок).

На основании анализа результатов экспериментов установлено:

1. При деформировании исходной заготовки квадратного сечения 25 х 25 мм на поверхности, противолежащей контакту с оправкой, образуется «седловина» с максимальной глубиной 1,9-2,1 мм. На исходных образцах трапецеидального (24 х 16) х 24 мм поперечного сечения с выпуклой большей гранью «седловина» практически отсутствует.

2. Высота образца в радиальном направлении (в плоскости гиба) уменьшается на 18 - 20 %. Ширина заготовки на границе контакта с оправкой увеличивается на 20 - 22 %, а на свободной противолежащей поверхности уменьшается на 18 - 20 %;

3. Деформации ячеек координатных сеток и перемещения отдельных точек соответствуют принятым допущениям при выборе подходящих функций при решении задачи определения параметров формоизменения с использованием вариационного метода.

Для определения влияния конструктивных параметров исходной заготовки на формирование контактной поверхности упорного выступа противоугона использован последовательный симплекс-метод (ПСМ) (рис.4).

Процедура использования последовательного симплекс-метода включает следующие этапы:

1. Построение матрицы исходного симплекса.

2. Осуществление перемещения симплекса по факторной поверхности.

В качестве функции отклика У принимали высоту выпуклости большего основания трапеции (отклонение от прямолинейности контактной поверхности заготовки после деформации).

Оценка адекватности близости точки оптимума при ПСМ производили с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных.

110 ы

а б

Рис.4. Форма поперечного сечения а - исходная заготовка, б - деформированная заготовка Дисперсия опыта

I](Г,-У0)2

= -= 0.0335. (5)

Стандартное отклонение выборки = л/0.0335 =0.183. (6)

Стандартная ошибка средней

-

= = 0.105. (7)

л/Л7

Зная С и Ь, радиус кривизны можно рассчитать по следующей зависимости:

Г2

р - 4 (8)

При известной (заданной) площади поперечного сечения А параметр й0(1у (9) "от

Движение симплекса по факторной поверхности приведено на рис.5.

Фактор Х2

Рис.5. Движение симплекса по факторной поверхности XI-Х2

Результаты выполненных расчетов подтвердили правильность результатов теоретических и экспериментальных исследований, касающихся выбора рациональной формы поперечного сечения исходной заготовки для гибки противоугонов.

Окончательной формой поперечного сечения исходной заготовки признана трапециевидная заготовка (24><16)х24 мм с радиусом выпуклости большего основания трапеции Яо=38 - 42 мм (рис.6).

и

/

/ /

/ /

____«__

Рис.6. Поперечное сечение разработанного трапецеидального профиля

(24*16)х24

Выпуклость большего основания трапеции Ко=38-^42 мм обеспечивает полное исключение седловины при завышенных допусках,

установленных стандартом на прокат, применяемый для производства железнодорожных противоугонов.

По результатам проведенных исследований разработаны новые технические решения в виде полезных моделей (свидетельства № 12694, 26984), применение которых обеспечивает повышение эксплуатационных свойств противоугонов, а именно повышение сопротивления продольному сдвигу по подошве рельса и циклической стойкости.

Четвёртая глава посвящена разработке технологии прокатки трапецеидального профиля поперечного сечения (24><16)х24.

Разработана калибровка валков для прокатки трапецеидального профиля (рис.7).

I - VI

г \

»82

/

®25 - 28

31

гл

30

39

Г

36.2

?4.3

Я16

IX

Рис.7. Калибровка валков для прокатки профиля (24><16)х24 мм

При этом чистовой калибр выполнялся закрытым. Прокатка трапецеидального профиля осуществлялась в двухвалковой клети на

среднесортном стане ОАО «ММК». Процесс прокатки проходил стабильно. Захват раскатов по клетям был хорошим, случаев пробуксовки не наблюдалось. Геометрические размеры сечения профиля находились в пределах допуска (+0,4 -0,5) мм. Изготовлена опытно-промышленная партия проката объемом 48,8 т.

В пятой главе представлены результаты разработок, направленных на совершенствование технологии и изготовление опыт-но-промыш-ленной партии противоугонов из проката трапецеидального профиля, а также технико-экономические показатели.

Предложенная технология включает в себя следующие основные этапы:

- укладка пачки пруткового проката (длина ~ 9 м) на механизированный стеллаж;

- кантовка прутков с целью ориентированной подачи;

- подача прутков со стеллажа на рольганг;

- нагрев прутков в индукционной установке до температуры

- гибка - штамповка противоугонов на автомате А 333;

- термообработка противоугонов (закалка и отпуск);

С целью устранения ручного труда для ориентированной подачи прутков трапецеидального профиля в линию для производства противоугонов был разработан и спроектирован автоматический кантователь заготовок (рис.8).

1 - заготовка; 2 - крышка; 3 - корпус; 4 - втулка; 5 - звездочка; 6 - двигатель; 7 - цепь; 8 - направляющая воронка; 9 - следящая аппаратура; 10 - подвод смазки; 11 - рама

(950- 1050° С);

и/ \х \б

Рис.8. Кантователь:

Конструкция кантователя представляет собой механическое устройство, позволяющее в потоке, без остановки линии производить ориентацию заготовок в осевом направлении. Кантователь устанавливался в технологическую линию между механизированным стеллажом и тянущими роликами перед задачей в индуктор.

В условиях кузнечно-прессового цеха ОАО «ММК-МЕТИЗ» изготовлена опытно-промышленная партия противоугонов из заготовки трапецеидального профиля (24*16)><24 мм с повышенными эксплуатационными характеристиками в количестве 48 т. Изготовленные противоугоны были испытаны в лабораторных условиях, а также в условиях эксплуатации на Московско-Павелецкой дистанции пути Московской железной дороги. Результаты испытаний показали, что по сравнению с типовыми противоугонами сила сопротивления сдвигу вдоль подошвы рельса у противоугонов разработанной конструкции возрастает в 1,10 - 1,15 раза при снижении массы противо-угона на 22% по сравнению с противоугонном по ГОСТ 19893-74. При этом, увеличивается межремонтный срок службы противоугонов и сохраняются эксплуатационные характеристики противоугонов при их повторном использовании.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании анализа патентно-информационных материалов установлено следующее:

- наиболее рациональным и экономичным способом изготовления качественных изделий типа противоугон является способ горячей гибки-штамповки на горизонтальных прессах-автоматах;

- при изготовлении большинства известных конструкций железнодорожных противоугонов гибкой - штамповкой из заготовок прямоугольного поперечного сечения на поверхности упорного выступа, противолежащей поверхности контакта заготовки с гибочным инструментом, образуется «седловина», которая снижает эксплуатационные свойства противоугонов.

2. На основе решения вариационной задачи с использованием принципа минимума полной энергии деформации разработана математическая модель формоизменения в процессе гибки на оправке малого радиуса заготовок прямоугольного и трапецеидального поперечного сечения. По результатам выполненных расчетов с использованием приема «зеркального отображения» определены рациональные форма и размеры поперечного сечения исходной заготовки,

применение которой исключает образование «седловины» на поверхности, противоположной контакту заготовки с оправкой.

3. Применяя метод координатных сеток, проведена серия экспериментов с использованием свинцовых образцов квадратного 25 х 25 мм и трапецеидального (24 х 16) х 24 мм поперечных сечений, по результатам которых установлено:

- при деформировании исходной заготовки квадратного сечения на поверхности, противолежащей контакту с оправкой, образуется «седловина» с максимальной глубиной 1,9-2,1 мм, в то время как на исходных образцах трапецеидального поперечного сечения «седловина» практически отсутствует;

- высота образца в радиальном направлении (в плоскости гиба) уменьшается на 18 - 20 %, ширина заготовки на границе контакта с оправкой увеличивается на 20 - 22 %, а на свободной противолежащей поверхности уменьшается на 18 - 20 %;

- деформации ячеек координатных сеток и перемещения отдельных точек соответствуют принятым допущениям при выборе подходящих функций при решении задачи определения параметров формоизменения с использованием вариационного метода.

4. Используя последовательный симплекс метод и результаты экспериментальных исследований, определена рациональная форма поперечного сечения исходной заготовки для изготовления противо-угонов с повышенными эксплутационными характеристиками. С целью исключения «седловины» при гибке поперечное сечение заготовки должно иметь форму трапеции (24 * 16) х 24 мм с выпуклым большим основанием. Радиус выпуклости Яо=38 - 42 мм.

5. Разработана калибровка валков и режимы обжатий по клетям для прокатки трапецеидального профиля (24 х 16) х 24 мм на сред-несортном стане ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Изготовлена опытно-промышленная партия в объеме 48,8 т.

6. Усовершенствована технология изготовления противоугонов из пруткового проката трапецеидального профиля на линии с индукционным нагревом металла. Разработан кантователь прутков трапецеидального профиля. В кузнечно-прессовом цехе ОАО «ММК-МЕТИЗ», используя усовершенствованную технологию, на линии с индукционным нагревом металла и автоматом А 333 изготовлена опытно-промышленная партия противоугонов улучшенной конструкции.

7. Проведены испытания опытно-промышленной партия противоугонов улучшенной конструкции. Лабораторные испытания проводились в условиях ЦЗЛ ОАО «ММК-МЕТИЗ», а эксплуатацион-

ные - в условиях Московско- Павелецкой дистанции пути Московской железной дороги. Установлено, что у противоугонов, изготовленных из заготовок с формой поперечного сечения в виде выпуклой трапеции, по сравнению с типовыми противоугонами сила сопротивления сдвигу вдоль подошвы рельса выше в 1,10 - 1,15, а количество циклов до разрушения возрастает в 1,20 - 1,25 раза. Масса противоугонов улучшенной конструкции на 22% меньше, чем масса типовых противоугонов по ГОСТ 19893-74.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Повышение точности геометрических размеров железнодорожных противоугонов/ В.И.Артюхин, В.П.Дзюба, С.В.Коневи др. // Исследователь. - 2000. - № 3- С.5.

3. Совершенствование конструкции и технологии изготовления пружинных противоугонов / В.П.Дзюба, С.В.Конев, В.Г.Паршин и др. // Новые материалы: получение и технологии обработки: сб. тез. докл. науч.- техн. конф. КГАЦМиЗ. - Красноярск:, 2001. - С.209.

4. Пластический изгиб заготовки прямоугольного поперечного сечения на оправке малого радиуса / В.П.Дзюба, С.В.Конев, В.Г.Паршин и др. // Механика деформируемых сред в технологических процессах: межвуз. сб. науч. тр. Вып. 3. - Иркутск:, 2000. — С. 4-17.

5. Конев C.B., Паршин В.Г., Дзюба В.П. Пути повышения качества железнодорожных противоугонов //Процессы и оборудование металлургического производства: сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2003.-С.23- 26.

6. Расчёт формоизменения при гибке пружинных скоб, преимущественно противоугонов / В.Г.Паршин, С.В.Конев, В.П Дзюба и др.// Процессы и оборудование металлургического производства. : сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С. 11 - 17.

7. Конев C.B., Дзюба В.П. Моделирование процесса течения металла при гибке бруса трапециевидного поперечного сечения // Металлургические машины и процессы (теория и практика): сб. науч. тр.-Магнитогорск: МГМА, 1998.-С. 137.

8. Железнодорожный противоугон уменьшенной металлоемкости / Конев C.B., Кривощапов В.В., Пудов Е.А., Дзюба В.П. // Сталь. - 1996.- №2. - С. 47-49 (рецензируемое издание из перечня ВАК).

9. Конев C.B., Кривощапов В.В., Дзюба В.П. Пути снижения металлоемкости и улучшения качества железнодорожного противо-угона // Прогрессивные решения в метизной промышленности: сб.

науч. тр./под ред. Кривощапова В.В. - Магнитогорск: ПМП «Ми-ниТип», 1996.-С.101.

Ю.Конев C.B., Дзюба В.П. Способ кантовки длинномерных заготовок при изготовлении железнодорожных противоугонов // Известия Челябинского научного центра: электронный журнал. - Челябинск: УрОРАН, 2002. - Систем. Требования: от 486; Windows; Internet - браузер кл. Netscape/ - Режим доступа: http:// www.sci.urc.ru -Загл. с экрана.

11. Расчет сечения заготовки противоугона с использованием последовательного симплекс-метода/ Паршин В.Г., Артюхин В.И., Конев C.B., Дзюба В.П. // Процессы и оборудование металлургического производства: сб. науч. тр. Вып. 3. - Магнитогорск: МГТУ, 2000,- 181 с.

12. Свидетельство на полезную модель 12694 РФ, 7 Е 01 В 13/02. Противоугон / Дзюба В.П., Конев C.B.

13. Свидетельство на полезную модель 26984 РФ, 7 В 21 К 1/74. Заготовка для гибки крепежных элементов / Конев C.B., Дзюба В.П., Паршин В. Г., Артюхин В.И.

14. Повышение качества железнодорожных противоугонов на основе результатов расчета гибки-штамповки/ В.П.Дзюба,

B.И.Артюхин, С.В.Ко-нев и др. // Кузнечно-штамповочное производство: Перспективы развития: материалы 1-й Российской конференции по кузнечно-штам-повочному производству «Кузнецы Урала-2005».- Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2005,- С.218-220.

15. Способ ориентации длинномерных несимметричных заготовок в процессах гибки-штамповки крепежных изделий / В.П.Дзюба,

C.В.Конев // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей IV Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний,2008. - С.66-68.

Подписано в печать 20.05.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 396.

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

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПРОТИВОУГОНОВ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОТИВОУГОНОВ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 .Продольное перемещение железнодорожного пути и конструктивные особенности противоугонов. Технические требования к противоугонам.

1.2. Технологические процессы изготовления пружинных противоугонов.

1.3.Анализ способов устранения дефектов типа «седловина», возникающих в процессе гибки-штамповки.

ВЫВОДЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ ИЗГИБЕ НА ОПРАВКЕ БРУСА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ.

2.1. Анализ напряженно-деформированного состояния бруса при пластическом поперечном изгибе.

2.2. Основные положения вариационных методов теории ОМД.

2.3. Исследование процесса пластического изгиба бруса прямоугольного сечения с использованием вариационного метода.

2.4. Определение формы и размеров исходной заготовки с использованием приема «зеркального отображения» картины деформации.

ВЫВОДЫ.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГИБКИ НА ОПРАВКЕ ЗАГОТОВОК С СЕЧЕНИЕМ ПРЯМОУГОЛЬНОГО И ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ.

3.1. Анализ экспериментальных методов исследования процессов ОМД.

3.2. Использование методов математической статистики для обработки результатов экспериментальных исследований.

3.3. Экспериментальные исследования в лабораторных условиях.

3.4. Экспериментальные исследования в промышленных условиях.

3.5. Определение рациональной формы и размеров сечения заготовки для гибки противоугонов последовательным симплекс — методом.

ВЫВОДЫ.

4. РАЗРАБОТКА КАЛИБРОВКИ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ПРОКАТКИ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ (24 х 16) х 24 мм.

ВЫВОДЫ.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА ПРОТИВОУГОНОВ УЛУЧШЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ.

5.1. Разработка технологии гибки-штамповки противоугонов с автоматическим кантователем заготовок.

5.2. Лабораторные и промышленные испытания противоугонов

5.3. Технико-экономические показатели от внедрения разработок.

ВЫВОДЫ.

Железнодорожный транспорт имеет исключительно важное значение в жизнеобеспечении многоотраслевой экономики и реализации социально значимых услуг по перевозке пассажиров и грузов. На его долю приходится более 75 % грузооборота и 40 % перевозок пассажиров, выполняемых транспортом общего пользования [1].

Железнодорожный путь является одним из важнейших технических средств железных дорог, от состояния которого зависит непрерывность и безопасность движения поездов, объемы перевозок, а также эффективность использования подвижного состава [2].

Одним из неблагоприятных явлений, возникающих при работе железнодорожного пути, является угон рельсов, который возникает вследствие взаимодействия рельсов с колесами подвижного состава. При угоне рельсы сдвигаются со своих мест и увлекают за собой часть шпал, наблюдается перекос шпал, выпадение подрельсовых прокладок, что в конечном итоге, если не принимать соответствующих мер, может привести к аварийной ситуации.

Продольные силы, вызывающие перемещение рельсов, должны замыкаться на балласт и насыпь. Для этого на участках пути с деревянными шпалами на подошву рельсов ставят противоугоны [3]. В качестве противоугонов применяют пружинные скобы, надеваемые (защелкиванием) на подошву рельсов. Они передают продольные силы либо на путевые подкладки, либо на шпалы. Несмотря на то, что в промышленно развитых странах, а в последние годы I и в нашей стране, наметилась тенденция, связанная с применением в конструкции верхнего строения железнодорожного пути железобетонных шпал с клеммными соединениями, деревянные шпалы с костылями и противоуго-нами все еще широко используются, особенно в районах с резкими перепадами температур (Сибирь, Дальний Восток, Приполярье).

А учитывая то, что количество противоугонов при установке составляет не менее 13 пар на звене длиной 25 м, потребность в противоугонах весьма значительна [4].

При изготовлении противоугона, в процессе формоизменения заготовки на горизонтальных горячегибочных автоматах, формирования упорного выступа на поверхности, противолежащей поверхности контакта заготовки с гибочной оправкой, образуется впадина («седловина») [5]. В процессе эксплуатации зона контакта противоугона с подошвой рельса осуществляется не по всей плоскости упорного выступа противоугона, а по крайним точкам «седловины», что приводит к таким отрицательным последствиям, как подрезка противоуго-ном подошвы рельса, интенсивный износ контактных зон и соскальзывание с места первоначальной посадки. При этом ухудшаются эксплуатационные характеристики противоугонов: снижается сопротивление продольному сдвигу и уменьшается циклическая прочность. Негативное влияние «седловины» на работу противоугона отмечено давно, однако исследованию этого вопроса уделялось мало внимания. Технологический процесс изготовления противоугонов является весьма сложным, что требует от исследователей комплексного подхода к решению возникающих проблемы.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии производства железнодорожных пружинных противоугонов методом гибки-штамповки, реализация которой позволит повысить эксплуатационные характеристики противоугонов.*

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе проведен анализ преимуществ и недостатков различных отечественных и зарубежных конструкций противоугонов. Представлено описание наиболее прогрессивных видов технологических процессов изготовления противоугонов. Приведен обзор известных способов исключения технологических дефектов, возникающих при пластическом изгибе различных видов изделий. Во всех технологических разработках диссертации и их теоретическом обосновании в качестве научного консультанта принимал участие доцент, кандидат технических наук Конев С.В.

Во второй главе проведено теоретическое исследование процесса формоизменения сечения заготовки при поперечном пластическом изгибе с использованием вариационного метода теории обработки металлов давлением. Разработан специальный прием «зеркального отображения» по определению исходной формы поперечного сечения заготовки на основе вычислений конечных перемещений одних и тех же точек поперечного сечения в очаге деформации. Разработан алгоритм решения задачи по определению исходной формы поперечного сечения заготовки для гибки противоугонов.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям поперечного пластического изгиба с целью проверки и подтверждения принятых упрощений и допущений, сделанных в теоретическом разделе исследовании. Предложена трапециевидная форма прокатного профиля поперечного сечения заготовки для изготовления противоугонов. При этом использован один из методов планирования эксперимента — последовательный симплексный метод.

Четвертая глава посвящена промышленной апробации результатов исследования. Усовершенствован технологический процесс гибки-штамповки при производстве противоугонов. Разработана технология прокатки трапецеидального профиля на среднесортном стане горячей прокатки ОАО «ММК». Определены рациональные калибровка и режимы обжатий. Предложена форма закрытого чистового калибра для прокатки трапецеидального профиля с выпуклой формой большего основания трапеции. Изготовлена опытно-промышленная партия прокатного профиля. В условиях кузнечно-прессового цеха ОАО «ММК-МЕТИЗ» на линии гибки-штамповки с индукционным нагревом металла изготовлена опытно-промышленная партия противоугонов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Разработан автоматический кантователь трапециевидных заготовок. Установлено, что противоугоны, изготовленные по разработанной технологии, имеют высокий уровень эксплуатационных свойств. У противоугонов отсутствует «седловина» на упорном выступе. Изготовленная опытно-промышленная партия трапециевидных противоугонов прошла эксплуатационные испытания при сборке рельсошпальной решетки Московско-Павелецкой дистанции пути Московской железной дороги. Установлено, что трапециевидные противоугоны без «седловины» имеют более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с противоугонами традиционной конструкции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основе решения вариационной задачи теории пластичности разработана математическая модель формоизменения в процессе гибки заготовок прямоугольного и трапецеидального поперечных сечений на оправке малого радиуса, позволяющая определить поля перемещений в поперечном сечении очага деформации;

- на базе приема «зеркального отображения» разработана методика определения рациональной формы и размеров поперечного сечения исходной заготовки, применение которой позволяет исключить образование «седловины» на поверхности, противоположной контакту заготовки с оправкой;

- на основе использования последовательного симплекс-метода и результатов экспериментальных исследований определена рациональная форма поперечного сечения исходной заготовки для изготовления противоугонов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

На защиту выносятся следующие вопросы:

- анализ отечественных и зарубежных конструкций и технологий изготовления железнодорожных противоугонов, причин, вызывающих снижение эксплуатационных характеристик, и возможных способов исправления технологических дефектов;

- методика получения модели требуемой формы поперечного сечения заготовки противоугона для гибки на основе решения краевой задачи теории пластичности вариационным методом;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивно-технологических параметров на формоизменение и определение рациональной формы поперечного сечения заготовки для противоугонов с повышенными эксплуатационными характеристиками;

- новые технологические решения в технологии гибки-штамповки противоугонов в поточных линиях, позволяющие исключить «узкое место» в технологическом процессе.

Основное содержание диссертации изложено в 15 публикациях, включающих 2 свидетельства РФ на полезную модель. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые материалы: получение и технологии обработки» (Красноярск, 2001 г.); 1-й Российской конференции по куз-нечно-штамповочному производству «Кузнецы Урала-2005» (Екатеринбург, 2005 г.); IV Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008 г.), на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова» в 2002-07 гг., а также на расширенном заседании кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова».

Исследовательские работы проводились на кафедре теоретической механики и сопротивления материалов Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, изготовление опытно-промышленных партий противоугонов и их испытания осуществлялись в ОАО «ММК», ОАО «ММК-МЕТИЗ», а также на участке Московско-Павелецкой дистанции пути Московской железной дороги ОАО «РЖД».

ВЫВОДЫ

1. В условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» изготовлена опытно-промышленная партия противоугонов улучшенной конструкции. За счет применения исходной заготовки трапецеидального сечения удалось устранить технологический дефект, присущий типовым противоугонам («седловину» на опорной поверхности упругого выступа). Объем опытно-промышленной партии- 48 т.

2. Проведены лабораторные испытания противоугонов улучшенной конструкции, которые показали, что по сравнению с типовыми противоуго-нами сила сопротивления сдвигу вдоль подошвы рельса у противоугонов разработанной конструкции возрастает в 1,10-15 раза, а количество циклов до разрушения - в 1,20-1,25 раза.

3. Разработана конструкция специального кантователя, применение которого обеспечивает надежную автоматическую подачу исходных заготовок в виде прутков трапецеидального сечения в линию изготовления противоугонов.

Заключение:

109

Противоугоны, изготовленные из заготовки с формой поперечного сечения в виде выпуклой трапеции, могут быть использованы на участках пути с высокой интенсивностью движения поездов на угонных ( тормозных) участках пути (особенно в условиях пригородного движения) в течение полного межремонтного срока, что позволит производить их замену при капитальном (среднем) ремонте одновременно с рельсо - шпальной решеткой, удешевить стоимость и оптимизировать сроки проведения работ при замене элементов верхнего строения железнодорожного пути.

От Московско- Павелецкой дистанции пути Московской железной дороги

Начальник производственно - технического отдела дистанции пути

JI.B. Сухарникова

ОтПТКБ ЦП МПС

Зав. отделом верхнего строения пути

А.К. Гучков

От МГТУ им Г.И. Носова

Профессор, доктор технических наук, Зав. кафедрой теоретической механики и сопротивления материалов

Доцент кафедры теоретической механики и сопротивления материалов, кандидат технических наук

С.В. Конев

Аспирант ггкфедры теоретической механики и сопротивления материалов

В.П. Дзюба

1. Фришман М.А., Пономаренко Н.А., Финицкий С.И. Конструкция железнодорожного пути и его содержание. — М.: Транспорт, 1987.-350 с.

2. Железнодорожный путь / Яковлева Т.Г., Карпущенко Н.И., Клинов С.И. и др.; под ред. Яковлевой Т.Г. М.: Транспорт, 1999. - 405 с.

3. ГОСТ 19893-74. Железнодорожный противоугон. — М.: Изд-во стандартов, 1974. С. 4.

4. Гришов А.И. Вступая в новый сезон // Путь и путевое хозяйство.-2008.-№4.-С.5.

5. Конев С.В., Дзюба В.П. Моделирование процесса течения металла при гибке бруса трапециевидного поперечного сечения //Металлургические машины и процессы (теория и практика): сб. науч. тр.- Магнитогорск: МГМА, 1998.-С. 137- 141.

6. Путь и путевое хозяйство железных дорог США. Справочник / под ред. Финицкого С.И., Недорезова И.А. М.: Транспорт, 1987. - 216 с.

7. ТУ 32 ЦП 811-95. Противоугоны пружинные к железнодорожным рельсам.

8. Пат. 95103594 РФ МКИ 6 Е01В13/02. Пружинный противоугон / Коган М.С., Сабриков Ф.З., Лойферман М.А. и др. (РФ)

9. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. М.: Изд-во стандартов, 1989. - С. 1.

10. Железнодорожный противоугон уменьшенной металлоемкости / Конев С.В., Кривощапов В.В., Пудов Е.А., Дзюба В.П. // Сталь. 1996.- №2. -С. 47-49.

11. Горячая штамповка крепежных изделий / Кривощапов В.В., Железков О.С., Левченко П.Е. и др. -Магнитогорск, 1997. С. 47.

12. Пат. 2032784 РФ, МКИ3 Е 01 В 13/00. Железнодорожный противоугон / Конев С.В., Кривощапов В.В., Пудов Е.А. (РФ).

13. Ивакин B.JI. и др. Ремонт пружинных противоугонов// Путь и путевое хозяйство. 2000. - № 2. - 33 с.

14. Мошнин Е.Н. Гибка, обтяжка и правка на прессах. М.: Машгиз, 1959. -359 с.

15. Качество поверхности металла/ Строганов А.И., Хасин Г.А., Черненко А.Н., Дробышевский А.С. М.: Металлургия, 1985. - 128 с.

16. А.с. 1449179 СССР, МКИ5 В 21 D 11/20. Устройство для гибки панелей с поясными усилениями / М.Ю.Одинцов, И.И.Шопаев, В.И.Халиулин и др.(СССР).

17. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением.-М.: Металлургия, 1973.-495 с.

18. A.А., Ганаго О.А. и др. -М.:Металлургия, 1963.-672 с.53 . Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.-М.:Наука, 1974.-832 с.

19. Расчёт формоизменения при гибке пружинных скоб, преимущественно противоугонов / Паршин В.Г., Конев С.В.,Дзюба