Введение к работе
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 реше-ний, направленных на повышение эффективности производства и применения пружинных клемм за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления на основе компьютерного и натурного моделирования.
Задачи исследования:
-
Исследовать механические свойства стали марки 40С2А, применяемой при изготовлении пружинных клемм. Построить кривую упрочнения. Разра-ботать режимы подготовки стали марки 40С2А к операциям гибки.
-
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.
-
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.
-
Изготовить опытную партию клемм типа ЖБР. Выполнить оценку соответствия формы и геометрии полученных клемм требованиям нормативно-тех-нической 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 фак-торов, 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-эле-ментного 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 вычис-ляются по результатам конечно-элементного моделирования процессов гибки и использования энергетического метода.
Теоретическая значимость результатов исследования заключается в следующем:
- получены новые знания о закономерностях пластического деформирова-ния 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 полез-ную модель «Пружинная клемма рельсового скрепления»), применение которого обеспечивает снижение расхода металла на 2022%, снижение энергозатрат в процессе гибки и повышение стойкости инструмента.
2. Разработаны рекомендации по совершенствованию технология изготовления пружинных клемм в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибро-вочный 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 качествен-ных изделий при снижении энергозатрат и металлоемкости клемм. Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности 05.02.09 «Техноло-гии 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-105 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 изло-жены 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 машино-строении» (г. Челябинск, 2011 г., 2013 г.).
Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 16 научных публикациях, из них 3 в рецензируемых научных изданиях, рекомен-дованных 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.
