Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние шлифования на долговечность рельсов 7
1-1. Причины и механизм образования поперечных трещин усталости в головке рельсов 7
1.2. Влияние макронапряжений в поверхностном слое на зарождение и распространение трещин усталости 12
1.2.1. Классификация остаточных напряжений 12
1.2.2. Остаточные напряжения в железнодорожных рельсах после объемной закалки 13
1.2.3. Влияние пластической деформации на величину остаточных напряжений 16
1.2.4. Остаточные напряжения в металлических материалах при шлифовании 25
Выводы 31
Цель и задачи исследований.. 32
2. Материал и методики исследования 33
2.1. Материал исследования..., 33
2.2. Исследование структуры материла 35
2.3. Определение микротвердости 35
2.4. Оценка напряжений I рода рентгеноструктурным анализом 36
3. Изменение напряженно-деформированного состояния и структуры металла головки рельса в процессе эксплуатации 39
3.1. Влияние времени эксплуатации на зарождение и развитие трещин усталости в головке рельсов 39
3.2. Изменение микротвердости поверхностного слоя головки рельсов в зависимости от длительности эксплуатации 46
3.3. Влияние технологического процесса шлифования на уровень микротвердости в поверхностном слое головки рельса 55
3.4. Структурные изменения в металле головки рельсов в зависимости от времени и условий эксплуатации 59
Выводы 68
4. Влияние шлифования рельсов на остаточные напряжения в поверхностном слое головки рельсов 70
4.1. Математическая модель определения остаточных напряжений в поверхностном слое головки рельсов 70
4.2. Оценка остаточных напряжений, формирующихся при шлифовании рельсов в пути 75
4.3. Оптимизация режимов и условий шлифования, обеспечивающих повышенную долговечность рельсов 90
Выводы 98
5. Практическое использование результатов исследований 100
5.1. Модельное представление морфологии поверхности головки рельса при различных условиях эксплуатации 100
5.2. Разработка технологического процесса шлифования рельсов, обеспечивающего повышенный уровень долговечности рельсов 103
5.3. Оценка экономической эффективности предложенных решений 105
Основные результаты и общие выводы 110
Работе 116
Литература 120
Приложение
- Классификация остаточных напряжений
- Исследование структуры материла
- Изменение микротвердости поверхностного слоя головки рельсов в зависимости от длительности эксплуатации
- Оценка остаточных напряжений, формирующихся при шлифовании рельсов в пути
Введение к работе
Железнодорожный транспорт Российской Федерации имеет исключительно важное значение в жизнеобеспечении многоотраслевой экономики и реализации социально значимых услуг по перевозке пассажиров. На его долю приходится более 75 % грузооборота и 40 % пассажирооборота, выполняемых транспортом общего пользования.
Основная задача, стоящая перед железнодорожным транспортом, заключается в полном и своевременном удовлетворении постоянно возрастающих потребностей народного хозяйства и населения в перевозках, повышение эффективности и качества работы транспортной системы. Решение этой задачи связано с повышением грузонапряженности, нагрузок от колесных пар на рельсы, скорости движения и массы поездов, что требует значительного увеличения мощности и надежности железнодорожного пути. От состояния железнодорожного пути зависит непрерывность и безопасность движения поездов, объемы перевозок, а также эффективность использования подвижного состава.
В современных условиях подавляющее большинство полных, а также около 20% частичных отказов пути, происходит из-за накопления в процессе эксплуатации повреждений рельсов. Отказ рельса является отказом пути в целом, в то время как при отказе какого-либо элемента рельсового основания, например, шпалы или подкладки, происходит перераспределение нагрузки на соединительные элементы. Поэтому эксплуатационной стойкости рельсов придается большое значение в хозяйстве железнодорожного транспорта.
Проблема восстановления пути и продления срока службы рельсов в настоящее время решается совершенствованием старых и разработкой новых технологических процессов восстановления служебных свойств рельсов.
В настоящее время в зарубежной и отечественной практике ремонта и технического обслуживания для восстановления служебных свойств рельсов
5 производится шлифование их в пути специальными рельсошлифовальными поездами.
В нашей стране шлифование направлено в основном на восстановление геометрического профиля головки рельса, т.е. на устранение дефектов, вызванных пластической деформацией. Основными видами таких дефектов являются смятие и боковой износ головки рельса. Одновременно шлифование позволяет удалять видимые дефекты с поверхности катания рельсов - отслоения и выкрашивания на поверхности головки рельсов, возникающие вследствие недостатков технологии изготовления рельсов или по причине различных видов повреждений. В соответствие с этими задачами назначают и режимы шлифования.
Необходимо отметить тот факт, что в настоящее время при назначении режимов не учитывают состояние металла рельсов и не проводится контроль развития внутренних дефектов рельсов до и после их шлифования. Одним из наиболее опасных внутренних дефектов с точки зрения безопасности движения поездов являются поперечные усталостные трещины, поскольку развитие поперечной трещины до критического размера приводит к излому рельса, следствием чего являются крушения и аварии на железной дороге. Как показывает статистика, повреждение рельсов внутренними поперечными трещинами составляет весьма существенную долю.
Процесс шлифования закаленного и упрочненного в процессе эксплуатации металла протекает с выделением значительного количества теплоты. Нагрев и последующее охлаждение могут приводить к возникновению на поверхности катания головки рельса остаточных напряжений растяжения, отрицательно влияющих на долговечность рельса. Кроме того, снятие с головки рельса при шлифовании верхних слоев металла может привести к выходу на поверхность катания зародившихся в процессе эксплуатации усталостных трещин, которые под влиянием напряжений растяжения начнут интенсивно развиваться.
Исследованию влияния остаточных напряжений, возникающих в процессе эксплуатации и при технологических воздействиях, на работоспособность рельсов посвящено большое количество работ экспериментального и теоретического характера. Однако в них нет единого мнения о роли остаточных напряжений, возникающих в процессе эксплуатации и после целевых технологических воздействий, на работоспособность рельсов.
В работах Д.Г. Евсеева, А.Г. Суслова, СИ. Корчака, А.Д. Конюхова, Н.В. Капорцева, В.А. Рейхарта, A.M. Никонова, Г.М. Шахунянца, Е.А. Шура, В.А. Кармазина, В.А. Кислика, М.С. Михалева, ВТ. Компанейца, B.C. Лысюка и др. отмечается отрицательное влияние остаточных напряжений растяжения на долговечность рельсового металла, но не приводится четких рекомендаций по устранению или снижению их уровня на поверхности головки рельса.
В связи с вышесказанным, вопрос установления реального влияния процесса шлифования, следствием которого является возникновение на поверхности растягивающих напряжений, на долговечность рельсов является весьма актуальным.
Классификация остаточных напряжений
Остаточными или внутренними напряжениями в твердом теле (в металле) называются такие напряжения, которые уравновешиваются внутри этого тела без приложения к нему каких бы то ни было внешних воздействий.
В настоящее время эти напряжения принято условно делить на три рода [30]: 1. напряжения первого рода (зональные или макронапряжения), которые уравновешиваются в объеме всего напряженного тела и имеют определенно ориентированное направление; 2. напряжения второго рода (микронапряжения), которые уравновешиваются в объемах одного порядка с размерами кристаллитов и не имеют определенно ориентированного направления; 3. напряжения третьего рода (ультрамикронапряжения или дислокационные напряжения), которые уравновешиваются в объемах одного порядка с элементами кристаллической решетки. В дальнейшем будут рассматриваться только напряжения I рода (макронапряжения).
Остаточные напряжения вызывает, как правило, пластическая деформация, возникающая при механической обработке металлов [10, 13, 28, 30, 51, 54, 66, 67, 74,]. Появлению их, в частности, способствует повышение внутренней температуры, сопутствующее процессу пластического деформирования. Остаточные напряжения возникают также в результате неравномерного нагрева или неравномерного охлаждения металлов (изделий). Исследования, проведенные авторами [67, 69, 70, 76], показывают, что тепловые остаточные напряжения могут достигать особенно больших значений и, в некоторых случаях, даже превышать предел текучести. Особенность остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях. Но вследствие изменения со временем структуры поверхностного слоя и связанного с этим изменения остаточных напряжений они могут повлиять на прочность всей детали [9, 13, 26,42,44,49,56,66,100].
В процессе производства остаточные напряжения в рельсах возникают как результат неодновременного охлаждения по сечению при термической обработке и последующей холодной правки. Холодная правка рельсов на металлургических заводах производится на роликовых правильных машинах для снижения местной искривленности по длине рельсов. Исследованиями [36, 44, 50, 69] установлено, что именно на стадии холодной правки объемнозакаленных рельсов формируются конечные значения остаточных напряжений. В поверхностном слое головки рельсов после холодной правки формируются растягивающие остаточные напряжения. Возникновение растягивающих остаточных напряжений в головке рельсов обусловлено тем, что рельсы правятся при напряжениях, вызывающих пластическую деформацию. Наложение деформации от контактной нагрузки роликов и изгиба рельса приводит к заметному увеличению пластической деформации в зоне сжатия по сравнению с зоной растяжения, где пластическая деформация происходит только за счет изгиба. По данным работ [96, 50, 36, 40, 49] после правки, которая является последней технологической операцией перед укладкой рельсов в путь, на поверхности катания рельсов формируются растягивающие остаточные напряжений величиной 70 - 150 МПа.
Как отмечалось выше, остаточные напряжения оказывают большое влияние на сопротивление возникновению и развитию усталостных трещин в рельсах, смещая средний уровень циклических напряжений от внешней нагрузки либо в сторону растяжения, либо сжатия. В то же время изменение среднего уровня циклических напряжений по-разному влияет на усталостную прочность стали в зависимости от характера напряженного состояния, создаваемого внешней нагрузкой. Для обеспечения работоспособности и безопасности движения особое значение имеет сопротивляемость рельсов образованию поперечных усталостных трещин. Известно, что остаточные сжимающие напряжения будут способствовать повышению усталостной прочности, а растягивающие - ее снижению [7, 13, 30, 33, 76, 96].
Специально поставленные эксперименты по определению влияния остаточных напряжений на усталостную прочность образцов из закаленной рельсовой стали [71, 98] показали, что растягивающие напряжения приводят к значительному снижению усталостной прочности. Авторы работ [26, 42, 55] отмечают существенное повышение предела выносливости у закаленных образцов из рельсовой стали при наличии на поверхности сжимающих остаточных напряжений и снижение усталостной прочности при наличии растягивающих остаточных напряжений. В работе [42] отмечается положительное влияние сжимающих напряжений на предел выносливости рельсов. Авторы приводят данные о том, что при создании в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений усталостная прочность, повышается в 1,5-2 раза.
Однако, испытания проведенные этими авторами не предполагали разделения процесса усталостного разрушения на стадии: зарождение и распространение трещины, окончательное разрушение. В то же время разделение на стадии представляется весьма важным, особенно для таких ответственных изделий, как рельсы, которые некоторый период работают с трещинами. Работоспособность в данном случае оценивается путем периодического дефектоскопирования. По времени распространения и величине трещины при ее окончательном разрушении определяют надежность работы средств дефектоскопии и безаварийность эксплуатации изделий.
В работе [104] приведены результаты испытаний полнопрофильных рельсовых проб после объемной закалки и последующей холодной правки с целью оценки влияния остаточного напряженного состояния на возникновение и распространение усталостных трещин. Анализ результатов показал, что растягивающие остаточные напряжения на поверхности катания головки рельса существенно снижают усталостную прочность рельсов. Повышение растягивающих напряжений до 150 - 170 МПа привело к снижению предела выносливости закаленных рельсов в 1,5 раза. Сжимающие остаточные напряжения (до 150 МПа) благоприятно влияют на усталостную прочность рельсов, однако повышение предела выносливости было относительно незначительным. Авторы показали так же, что с увеличением растягивающих остаточных напряжений уменьшается число циклов до момента зарождения начальной усталостной трещины и число циклов при развитии трещины до полного долома. Увеличение сжимающих остаточных напряжений сильнее сказывается на числе циклов от зарождения усталостной трещины до полного разрушения, чем на числе циклов нагружения до возникновения трещины. Число циклов работы рельсов с трещиной при циклическом изгибе и наличии остаточных напряжений сжатия 150 МПа увеличивается примерно в два раза, а при наличии таких же растягивающих напряжений уменьшается вдвое. Это свидетельствует об уменьшении скорости развития усталостной трещины под действием сжимающих и ускорении распространения трещины под действием растягивающих остаточных напряжений. Размеры усталостных трещин в изломах рельсов свидетельствуют о том, что критическая глубина трещины была наибольшей в рельсах со сжимающими напряжениями и наименьшей - с растягивающими. Таким образом, значительный рост скорости развития усталостной трещины наблюдается при уменьшении величины сжимающих остаточных напряжений и увеличении
Исследование структуры материла
Металлографический анализ проводили методом оптической микроскопии на микроскопе МИМ-8 при рабочих увеличениях 100 — 300 крат. Исследовалась дефекты и структура металла головок рельсов с различной эксплуатационной наработкой и после технологических воздействий. Для исследования механическим способом подготавливались шлифы темплетов головок рельсов. Микроструктуру образцов выявляли химическим травлением в 4 %-ном растворе азотной кислоты в спирте.
Для определения микротвердости подготавливались шлифы темплетов головок рельсов. Измерения проводились в соответствие с ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 при увеличении х487 в трех направлениях: по вертикальной оси головки рельса, на рабочей боковой грани в зоне скруглення головки и в зоне скруглення нерабочей грани головки рельса. Схема измерений приведена на рис. 2.2.
Для определения микротвердости использовалась нагрузка на индентор 200 г, время выдержки под нагрузкой составляло 10 сек. Измерение остаточных напряжений проводилось с применением синхротронного излучения на установке ВЭПП-3 ИЯФ СО РАН методом sin2q - Схема измерения представлена на рис. 2.3.
Рентгеноструктурная картина для рельсовой стали, имеющей структуру сорбит (мелкозернистая эвтектоидная смесь феррита и цементита), определяется дифракцией от кристаллической решетки железа, т.к. дифракционные максимумы цементита имеют низкую интенсивность.
Для измерения напряжений применялся метод трех наклонных съемок \j/ = 0; ±15. Расчет проводился путем экстраполяции по соотношению: sin(2,9±) sin(2,9±) где 2&_L определяется из условия съемки при \\1 = 0, 2 Э - из условия наклонной съемки. Чтобы определить главные напряжения для каждого образца, проводилось измерение напряжений в поверхности образца в трех направлениях (рис. 2.4).
Рентгеноструктурный анализ проводился с целью определения остаточных напряжений в поверхностном слое головки рельса после шлифования.
Анализ динамики зарождения и развития усталостных трещин проводился на рельсах с различной величиной эксплуатационной наработки. Металлографические исследования показали, что поперечные трещины усталости начинают зарождаться практически с самого начала эксплуатации рельсов, и по мере увеличения пропущенного тоннажа занимают все большую площадь головки рельса. Рис. 3.1. Трещина, развивающаяся от поверхности катания головки рельса
У рельсов в начальный период эксплуатации, когда упрочнение поверхностного слоя практически отсутствует, очаги усталостного разрушения неизменно наблюдались на поверхности катания рельсов, в области максимальных напряжений и их местной концентрации за счет повреждения С увеличением эксплуатационной наработки глубина залегания трещин постепенно увеличивается. Наглядно это иллюстрируют рис. 3.2 — 3.4. Так, например, в рельсах с наработкой 100 млн т брутто трещины наблюдались на глубине до 1,5 мм (рис. 3.2), Трещины в рельсах с пропущенным тоннажом 430 млн т брутто были расположены на глубине 2 - 4,5 мм (рис. 3.3). В рельсах с наработкой 600 и более млн т брутто основная масса трещин располагалась на глубине 5-10 мм от поверхности в районе рабочей выкружки рельса (рис. 3.4).
Металлографический анализ позволил установить, что трещины в процессе эксплуатации, как правило, начинают зарождаться на смене наклепанного и ненаклепанного слоев и при дальнейшей эксплуатации развиваются в сторону неупрочненного металла, т.е. вглубь головки рельса. То есть, можно сказать, что повышение прочности поверхностного слоя головки рельса вследствие образования наклепа в процессе эксплуатации приводит к тому, что очаги поперечных усталостных трещин смещаются вглубь рельса.
При изучении поперечных усталостных трещин было обнаружено, что некоторые трещины на боковой поверхности головки рельса сопровождаются участками так называемого «белого» слоя. Располагается «белый» слой своеобразными наростами или в виде белой полосы, сопровождающей трещину. Необходимо отметить, что «белый» слой сопровождает трещины, имеющие ветвистый вид (рис. 3.5). Трещины, спокойно пролегающие в металле без разветвлений, «белого» слоя не имеют. Вероятно, именно «белый» слой, имея повышенную твердость, вызывает охрупчивание прилегающих слоев металла и тем самым способствует ветвлению трещин. Измеренная ширина «белого» слоя, расположенного по одну сторону от трещины, находится в пределах 1,5 — 4,5 мкм. При этом, чем большую ширину имеет трещина, тем большую ширину имеет сопровождающий ее «белый» слой- Предположительно, образование «белого» слоя происходит по следующей схеме. Часть деформированной
Изменение микротвердости поверхностного слоя головки рельсов в зависимости от длительности эксплуатации
Измерения микротвердости проводились на темплетах, вырезанных из рельсов с различной эксплуатационной наработкой и рельсов после периодического шлифования. Полученные результаты представлены в виде графиков на рис. 3.8 - 3.16. Данные по измерению микротвердости отдельных образцов приведены в прил. 1 - 8.
В объемнозакаленном рельсе без наработки (рис. 3.8) изменение микротвердости по глубине определяется режимами термической обработки и режимами прокатки рельсов. Как следует из приведенного графика, микротвердость имеет несколько повышенное значение у поверхности (примерно 3600 - 3700 МПа), после чего на глубине 0,5 - 2 мм наблюдается некоторое ее падение до 3000 - 2800 МПа. При переходе к внутренним слоям металла микротвердость постепенно выравнивается и для основного металла в объемнозакаленном состоянии составляет 2950 - 3000 МПа.
В процессе непрерывной эксплуатации поверхностный слой рельса получает существенные пластические деформации, сопровождающиеся повышением микротвердости. На рис. 3.9 представлены графики, отражающие изменение микротвердости поверхностного слоя в зависимости от величины эксплуатационной наработки. По графикам видно, что при от начала эксплуатации до наработки 600 млн т брутто происходит непрерывное увеличение микротвердости вблизи поверхности катания рельса. Увеличение микротвердости можно объяснить появлением в процессе эксплуатации поверхностного упрочненного (наклепанного) слоя. Интенсивность наклепа максимальна у поверхности катания, снижается по мере перехода к внутренним слоям металла и на определенной глубине достигает некоторого постоянного уровня.
Непрерывное увеличение микротвердости наблюдается до определенного количества пропущенного тоннажа, при дальнейшем
Графики, представленные на рис. 3.9 и З.П, показывают, что при наработке 100 млн т брутто микротвердость по рабочей выкружке увеличилась в 1,4 раза, при наработке 430 млн т брутто - в 1,9 раза и при наработке 600 млн т брутто - 2 раза. При, этом по оси катания микротвердость увеличивалась менее интенсивно: в 1,1; 1,7; 1,8 раза соответственно. Микротвердость, измеренная на нерабочей выкружке, изменяется незначительно и остается практически на уровне исходного состояния рельсового металла. Это явление наблюдается как у рельсов с небольшой наработкой, так и при увеличении пропущенного тоннажа. Объяснить этот факт можно тем, что максимальное давление от колеса на рельс приходится именно на зону рабочей выкружки. Металл в этой области упрочняется наиболее интенсивно и, соответственно, наблюдается более резкое увеличение микротвердости. При значительной эксплуатационной наработке начинается разупрочнение металла. Микротвердость в поверхностном слое понижается практически до уровня исходного объемнозакаленного состояния. Причем, разупрочнение начинается сначала по оси катания, затем при еще большей наработке происходит разупрочнение рабочей выкружки. На графиках, представленных на рис. ЗЛО а и рис. 3.11, видно, что у рельса с наработкой 700 млн т брутто по рабочей выкружке микротвердость еще высокая и составляет почти 6500 МПа, а по оси катания наблюдается падение микротвердости. При дальнейшей эксплуатации (760 млн т брутто) начинается разупрочнение и по рабочей выкружке (рис. 3.10 б, рис. 3.11). То, что разупрочнение начинается по оси катания можно объяснить, что в процессе эксплуатации происходит непрерывный износ рабочей грани головки1 рельса, начинается проскальзывание колес подвижного состава и нагрузка от колеса на рельс постепенно смещается в сторону оси катания.
Характер кривых микротвердости, измеренной в поверхностном слое головки рельса, подтверждают кривые твердости, измеренной на поверхности головки рельса (рис. 3.12). 100 200 300 400 500 600 700 800
Эксплуатационная наработка, мли т брутто --ось симметрии — - рабочая выкружка нерабочая выкружк Рис. 3.12. Изменение твердости на поверхности головки рельса в процессе эксплуатации
По нашему мнению, причина падения микротвердости в поверхностном слое связана с уменьшением его релаксационной способности в ходе ротационной деформации. Ротационные процессы начинаются раньше и происходят белее интенсивно в приповерхностных слоях. Объяснить это можно тем, что число концентраторов напряжений в приповерхностных слоях намного выше, чем в объеме, а энергия дисклииации и их систем существенно понижена. В ходе пластической деформации в разориентированных границах, содержащих дисклинационные несоответствия, начинается интенсивное формирование зародышей микротрещин. Естественно предположить, что формирование зародышей микротрещин может сопровождаться фрагментацией и созданием критической структуры. Последнее естественно связать с понятием критического зародыша микротрещины - области скопления дефектов (дисклинации), раскрывающейся в микротрещину при некотором уровне напряжений. Микротрещины развиваются в местах локализации деформации — границах блоков, следах скольжения, в участках с повышенной плотностью дислокаций. То есть, можно сказать, что в процессе пластической деформации важное значение имеет такой фактор как локализация пластической деформации. Необходимо отметить, что материал, деформированный первоначально однородно, на определенной стадии пластической деформации начинает проявлять свойства неустойчивости. Можно предположить, что неустойчивость пластической деформации связана с образованием каналов поворота дисклинационных диполей [15, 21, 23,60,88, 105,111].
Возникновение каналов поворота вероятно можно объяснить развитием в дисклинационной структуре токовой неустойчивости — пластического пробоя [16, 19, 20, 23, 83, 89]. Пластический пробой протекает в три этапа. После образования микротрещины, заторможенные у препятствий повороты, проходят через трещины и формируют около их концов пластические зоны. При увеличении локальных напряжений, пластические зоны соседних микротрещин сливаются, а заторможенные в них дисклинации противоположного знака аннигилируют. Общее сопротивление развороту рассматриваемой области при этом уменьшается. Следовательно, растет размер внешней части пластических зон и мощность заторможенного в них поворота. На третьей стадии крип в промежутке между трещинами приводит к формированию в нем дисклинации противоположного знака, т.е. вся область создает дальнодействующие напряжения, подобные напряжениям от большой трещины. Если в области этих напряжений окажется еще одна трещина со своей пластической зоной, то процесс может захватить и ее, размер эффективной трещины еще больше увеличится и т.д. Катастрофическое событие наступает тогда, когда разрушается наиболее мощное препятствие и все эффективное скопление дисклинации продвигается на значительное расстояние. То есть, пластический пробой представляет собой движение компактных групп из 10...20 дисклинации одного знака, разрушающих своим мощным упругим полем встречающиеся дисклинационные препятствия.
Оценка остаточных напряжений, формирующихся при шлифовании рельсов в пути
Остаточные напряжения, возникающие в поверхностном слое головки рельса в процессе шлифования, рассчитывались по модели, предложенной в п. 4.1. Выбор исходных данных Для расчета силовых остаточных напряжений, возникающих в поверхностном слое головки рельса при шлифовании, необходимо знать следующие параметры: нагрузку на одно зерно Р; глубину внедрения абразивной частицы г; радиус контактной области а; коэффициент Пуассона для стали v(v = 0,3 [35]). Нагрузка на единицу поверхности (одно зерно) шлифовального круга: где Рх - нагрузка на шлифовальный круг, Н (Р = 1500 Н (в соответствие с технической характеристикой РШП «Спено»)); N M - количество зерен, участвующих в процессе резания. При определении количества зерен, участвующих в процессе резания, рассматривались наиболее неблагоприятные условия, когда происходит шлифование боковой выкружки рельса, т.е. в процессе резания нагрузка распределяется на минимальное количество зерен. Схема к определению количества активных зерен представлена на рис. 4.2. Общее количество зерен на рабочей поверхности режущего сегмента круга можно определить следующим образом: Ширина режущего сегмента соответствует ширине дорожки резания кругом при наиболее неблагоприятных условиях (шлифование рабочей выкружки рельса) и составляет по экспериментальным данным в среднем около 5 мм. Абразивный круг представляет собой совокупность абразивных зерен, которые закреплены в инструменте связывающим компонентом - связкой. При этом зерна в плоскости резания расположены на различном уровне и в начальный момент резания часть зерен выкрашивается, часть не достает до обрабатываемой поверхности. То есть, резание осуществляется не всеми зернами, расположенными на рабочей поверхности шлифовального круга, а лишь некоторыми из них [97]. По данным Шаламова В.А. [97], количество активных абразивных зерен, расположенных на рабочей поверхности шлифовального круга можно определить следующим образом: Таким образом, с учетом формул (4.31 - 4.33), (4.35), количество активных зерен на режущей поверхности абразивного круга определится следующим образом: Средний диаметр зерна для абразивного круга зернистости 125 составляет 1,12 мм [I]. Для проверки правильности формулы определения количества активных зерен на режущей поверхности абразивного круга, количество зерен определялось также экспериментально. С этой целью был взят абразивный круг после некоторого периода эксплуатации. На круге было выделено пять участков, по ширине соответствующих дорожке резания при наиболее неблагоприятных условиях (5 мм), посчитано количество зерен (выступов) в пределах каждой дорожки и взято среднее значение полученных данных (см. рис. 4.23). Количество активных зерен на режущей поверхности абразивного круга: где w, — количество режущих зерен (-ой дорожки. Количество активных абразивного круга, определенных экспериментально, составило 115 шт.
Таким образом, формула определения количества режущих зерен (4.36) является действительной, т.к. ошибка аналитического и экспериментального методов составляет менее 5 %. Принимаем количество активных зерен на режущей поверхности абразивного инструмента 113 шт. Тогда нагрузка на единицу поверхности (одно зерно) шлифовального круга по формуле (4.30) составит: Глубина внедрения абразивной частицы z и радиус контактной области а, при шлифовании рельсов с различной эксплуатационной наработкой будут иметь разные значения. Величины z и а определялись на основе значения микротвердости на поверхности катания головки рельса (табл. 4.1). Результаты расчета остаточных напряжений, формирующихся в процессе шлифования по существующей в настоящее время технологии, представлены в виде графиков на рис. 4.4 — 4.5. Распределение силовых, температурных и суммарных остаточных напряжений на поверхности катания рельса показано на рис. 4.4. На изменение силовых остаточных напряжений основное влияние оказывает увеличение эксплуатационной наработки (рис. 4.4 а). Повышение микротвердости поверхностного слоя головки рельса в процессе эксплуатации приводит к увеличению усилия резания при шлифовании и, соответственно, к повышению остаточных напряжений, формирующихся на поверхности после механической обработки. Величина температурных остаточных напряжений, формирующихся на поверхности катания, главным образом зависит от количества теплоты, выделяющейся в процессе резания. График зависимости остаточных напряжений от температуры (рис. 4.4 б) показывает, что с увеличением температуры происходит повышение остаточных напряжений. Наиболее резкое возрастание температурных остаточных напряжений наблюдается при нагреве свыше 500 С. Оценка суммарных остаточных напряжений (рис. 4.4 в) - от действия пластической деформации, температурного и структурно-фазового факторов - показала, что в диапазоне температур 100 — 300 С в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. При этом величины
