Введение к работе
Актуальность проблемы.
Анализ состояния стрелочного хозяйства на железных дорогах России показывает, что, ресурс эксплуатации остряков стрелочных переводов оказывается ниже нормативного.'
Анализ литературных данных по повреждаемости стрелочных переводов показывает, что при наработке среднесетевого нормативного тоннажа 320 млн. тонн брутто из главных и приемо-отправочных путей в порядке одиночной замены изымается 43,3 % стрелок. Наиболее распространенная причина изъятия стрелок связана с состоянием остряков. Около 65% остряков изымается по причине недостаточных прочностных свойств и несовершенства технологии изготовления.
Основными причинами снижения срока службы остряков являются: повышенный боковой износ, выгиб в процессе эксплуатации, контактно-усталостные выкрашивания в острой части и разрушения головки от продольных трещин на поверхности катания.
Интенсивность бокового износа на отдельных наиболее интенсивно эксплуатируемых стрелочных переводах достигает 10 мм/10 млн. тонн брутто (при норме 6-8 мм), а пропущенный до изъятия тоннаж составляет 12-22 млн. тонн брутто.
Низкие прочностные свойства и твердость поверхности катания остряков из серийной стали марки М73В (ГОСТ 9960) приводят к образованию гребнеобразного наплыва и его последующего выкрашивания в тонких сечениях головки остряка шириной 12-20 мм. По данным путеобследовательских станций образование подобного дефекта отмечается уже после пропуска 15-20 млн. т .брутто. Срок службы остряков с указанной выше интенсивностью развития дефектов не превышает нескольких месяцев.
Остро стоит и проблема выгиба остряков в эксплуатации. Существующая технология термической обработки остряков - закалка сжатым воздухом с индукционным нагревом с предварительным упруго-пластическим изгибом и последующей холодной механической правкой приводит к короблению остряков в эксплуатации за счет неблагоприятной эпюры внутренних остаточных напряжений, интенсивность которого возрастает под воздействием осевой нагрузки. Отмечены случаи коробления остряков, характеризующиеся неприлеганием подошвы остряка к стрелочным подушкам величиной до 14,5 мм при норме 1 мм.
Таким образом, прочностные свойства, износостойкость и сопротивление выгибу остряков не соответствуют современным требованиям эксплуатации, а работа по повышению их эксплуатационной стойкости является актуальной.
Цель работы:
Повышение стойкости остряков в части износа и выгиба в эксплуатации за счет внедрения новой марки стали и технологии двухсторонней индукционной поверхностной закалки без предварительного изгиба.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ повреждаемости остряков в эксплуатации, выявление наиболее массовых видов дефектов и причин их образования.
-
Теоретическое обоснование выбора двухсторонней индукционной закалки и легирования хромом как наиболее эффективных способов повышения эксплуатационной стойкости остряков.
-
Сравнительный анализ микроструктуры, прочностных свойств, износостойкости, прокаливаемости и циклической долговечности остряков из сталей марок 76ХСФ и М73В.
-
Моделирование технологии двухсторонней закалки на пробах остряков на опытной установке.
-
Исследование влияния двухсторонней закалки на механические свойства остряков, упрочненных на опытной установке.
-
Разработка промышленной технологии для реализации процесса двухсторонней закалки остряков без предварительного изгиба в производственных условиях стрелочных заводов.
7. Разработка нормативной документации на остряковые рельсы из ста
ли 76ХСФ и на остряки, упрочненные двухсторонней поверхностной закал
кой.
Методы исследования.
Теоретические исследования проводились путем моделирования методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния в головке остряка при наличии трещины критической глубины в процессе одностороннего индукционного нагрева с изгибом и двухстороннего нагрева без изгиба. Расчет напряженно-деформированного состояния проводился с использованием ПЭВМ в системе программ "COSMOS".
Расчет прокаливаемое остряков из сталей 76ХСФ и М73В при двухсторонней индукционной закалке проводился по специально разработанной методике, включающей расчет распределения скоростей охлаждения в головке и подошве остряка путем решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье конечно-разностным методом с использованием ПЭВМ и определение прокаливаемости стали на торцовых образцах по методу коэффициентов - делителей стандарта S АЕ J406 (США).
При проведении экспериментальных исследований использовались следующие методы: .метод спектрального анализа для определения химического состава стали на установке "Spectrolab S"; методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (ГОСТ 9012, ГОСТ 9013, ГОСТ 2999) для измерения твердости; определение механических свойств при разрыве стандартных цилиндрических образцов (ГОСТ 1497), ударной вязкости - при испытаниях на ударный
изгиб стандартных образцов (ГОСТ 9454); метод торцовой закалки для определения прокаливаемости стали (ГОСТ 5657); метод ASTM Е 1245 для анализа неметаллических включений на анализаторе изображения "LECO"; метод Амслера для сравнительных испытаний на износостойкость; метод тен-зометрических датчиков для определения внутренних остаточных напряжений; испытания на циклическую долговечность полнопрофильных проб остряков по методу трехточечного изгиба при коэффициенте асимметрии цикла Ro= 0,1 и частоте нагружения 5 Гц.
Научная новизна работы
-
Дано теоретическое и практическое обоснование возможности развития поверхностных трещин при индукционном нагреве остряков с предварительным изгибом.
-
Разработана методика расчетной оценки прокаливаемое с учетом геометрических характеристик изделия и условий охлаждения.
-
Впервые показана эффективность применения рельсовой стали с содержанием хрома 0,35 - 0,55% для производства остряков без термического упрочнения.
-
Изучено влияние термической обработки на физико-механические свойства остряков из стали 76ХСФ и определены основные требования к процессу термической обработки остряков из этой стали.
-
Показана эффективность влияния двухсторонней поверхностной закалки на механические свойства, микроструктуру, внутренние остаточные напряжения в остряках из сталей 76ХСФ и М73В, обеспечивающая повышение их долговечности.
Практическая ценность работы
По результатам проведенных исследований разработаны и оформлены технические условия на остряковые рельсы из стали 76ХСФ и на остряки из
сталей 76ХСФ и М73В, упрочненные двухсторонней поверхностной закалкой.
Выпущена опытная партия остряков из стали 76ХСФ без термического упрочнения. Эксплуатационные испытания проводятся на Западно-Сибирской и Северной железных дорогах.
Разработана технология двухсторонней индукционной закалки остряков и основные требования к оборудованию для реализации этого процесса.
На участке термической обработки Новосибирского стрелочного завода (НСЗ) сооружена и запущена в эксплуатацию опытно-промышленная установка для двухсторонней индукционной закалки остряков.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на 4-ом Собрании металловедов России (г. Пенза, Приволжский Дом знаний, 1998 г.); на III Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии в машиностроении - 2000" (г. Пенза, Приволжский Дом знаний, 2000 г.); на Конференции аспирантов и молодых ученых по проблемам железнодорожного транспорта (г. Щербинка, ВНИИЖТ, 2000 г.).
Разделы диссертационной работы ежегодно (1997 - 2000 г.г.) обсуждались на научно-технических совещаниях комплексного отделения Транспортного металловедения ВНИИЖТ.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Оформлены технические условия на сталь для остряков и технологический процесс двухсторонней поверхностной закалки остряков.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 123 источников, приложения, изложена на 194 страницах, включая 47 рисунков и 20 таблиц.
