Способ упрочнения несущих деталей грузовых вагонов
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 С 21 D 8/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗ (21) 4814842/02 (22) 17.04.90 (46) 30.09.92. Бюл. ¹ 36 (71) Уральское отделение Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (72) С.И.Попов, В,А,Двухглавов, В,П.Ефимов, В, И. Гами ров, В. Г. Кривоногов, В.С.Плоткин и 0.3.Шарафутдинов (56) Вайнберг Д.В., Вайнберг Е.Д. Расчет пластин, Киев, Будивельник, 1970, 436 с, Авторское свидетельство СССР
¹ 11115577008877, кл. С 21 D 7/02, 1985. (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ НЕСУЩИХДЕТАЛЕЙ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ (57) Изобретение относится к деформационной обработке металлов и может быть использовано в металлургии и машиностроении при изготовлении деталей грузовых вагонов, а именно надрессорных балок тележек. Сущность изобретения заИзобретение относится к упрочнению несущих деталей железнодорожного подвижного состава, преимущественно надрессорных балок тележек грузовых вагонов, имеющих подпятник, Известен способ упрочнения деталей по а.с, № 1157087, при котором несущие детали грузовых вагонов нагружаются статической нагрузкой, по направлению совпадающей с рабочей нагрузкой и вызывающей возникновение в наиболее напряженных зонах остаточных пластических деформаций в пределах 0,1-0,3%. После снятия статической нагрузки в этих зонах возникают остаточные напряжения, которые суммиру„„ Ы„„1765208 Al ключается в том, что при упрочнении надрессорной балки упругопластическим деформированием по эксплуатационной схеме нагружения производится в момент достижения нижним поясом детали нормированного предельного прогиба статическое нагружение подпятникового узла нагрузкой, приложенной к опорной поверхности подпятника и вызывающей возникновение в наружных волокнах его противоположной стороны растя гивающих остаточных пластических деформаций, при условии, что опирание детали осуществляется на горизонтальную (среднюю) часть нижнего пояса. Величина нагрузки, при которой производится упругопластическое деформирование подпятникового узла должна превышать, как минимум в 1,05 раза величину статической нагрузки, достигнутую при нормированном предельном прогибе нижнего пояса. 1 з.п. ф-лы, I ил. ются с переменными напряжениями от рабочей нагрузки, уменьшают их абсолютные значения и этим увеличивают сопротивление усталости деталей;
Известноетехническое решение применительно к надрессорным балкам повышает выносливость в зоне нижнего пояса, ответственной за аварийные отказы в эксплуатации. Однако оно не предусматривает повышение долговечности другой часто повреждаемой зоны — подпятникового узла, находящегося под воздействием высоких локальных напряжений при краевом опирании пятника в результате перевалки кузова вагона. Если при упругопластическом де1765208
15
40
55 формировании детали подпятниковая зона воспринимает только упругие деформации, то возникающие в подпятниковом узле остаточные напряжения могут совпадать по знаку с напряжениями от перевалкИ кузова вагона, а следовательно вызывать снижение выносливости верхнего пояса детали.
Снижение выносливости возможно также в случае совпадения по знаку остаточных напряжений, возникающих при упрочнении нижнего пояса, с термическими напряжениями, формирующимися в подпятниковом узле литых и штампо-сварных надрессорных балок. При наличии в подпятниковом узле различного рода дефектов, являющихся технологическими концентраторами нап ряжений, вероятность повреждаемости этой зоны в эксплуатации может существенно повышаться.
Целью настоящего изобретения является увеличение срока службы балки путем повышения сопротивления усталости подпятника.
Цель достигается тем, что надрессорная балка деформируется по схеме поперечного изгиба от нагрузки, приложенной к опорной поверхности подпятника при опирании детали на ее концевые части, до возникновения в нижнем поясе остаточных пластических деформаций, регламентируемых нормированным прогибом, при котором дальнейшее нагружение осуществляется с опиранием детали на горизонтальную(среднюю) часть нижнего пояса до возникновения в наружных волокнах со стороны внутренней поверхности подпятника остаточных пластических деформаций, Величина статической нагрузки,при которой производится упругопластическое деформирование подпятникового узла, принимается, как минимум, в 1,05 раза больше величины статической нагрузки, до стигнутой в процессе упрочнения нижнего пояса детали.
Существенность отличительных признаков разработанного технического решения подтверждается следующими данными.
Упругопластическое деформирование подпятникового узла производится по двум основным вариантам, в зависимости от конструктивной модификации детали. Для бесколоночной надрессорной балки приемлем вариант нагружения подпятниковой плиты, как круглой пластины, закрепленной по контуру наружного бурта, нагрузкой, распределенной по центральному кругу. Для модифиКации детали, предусматривающей опирание центральной части подпятниковой плиты на вертикальную колонку может быть принята схема нагружения как пластины, жестко закрепленной по наружному и внутреннему контурам, с приложением нагрузки вдоль концентрической окружности.
Параметры распределения нагрузки на опорной поверхности подпятниковой плиты устанавливаются по данным исследования напряженно-деформированного состояния, исходя из условия получения наибольших упругопластических деформаций растяжения в местах вероятного усталостного повреждения со стороны внутренней поверхности подпятника. При таком нагружении обеспечивается после разгрузки формирование остаточных напряжений обратного знака рабочим напряжением, по крайней мере, в окрестности расположенных там различных технологических дефектов.
Поскольку нагружение детали до появления в какой-либо ее зоне пластических деформаций вызывает возникновение остаточных упругих деформаций в смежных зонах, то при раздельном упругопластическом деформировании этих зон упрочнение детали в целом может быть не достигнуто, В частности, при упрогопластическом деформировании подпятникового узла бесколоночных надрессорных балок из стали 20
ФТЛ, упрочненных предварительно по нижнему поясу по известному техническому решению, было отмечено снижение ограниченной выносливости на 5 — 10% в зоне нижнего пояса при усталостных испытаниях по схеме поперечного изгиба. Аналогичный эффект обнаружен при испытаниях на выносливость подпятникового узла после упрочнения нижнего пояса по известному техническому решению. По результатам выполненных исследований было установлено, что наиболее приемлемый вариант упрочнения детали в целом заключается в совмещении операций упругопластического деформирования подпятникового узла и нижнего пояса, На чертеже показана схема реализации способа.
Надрессорная балка 1, установленная на двух сферических опорах 2, расположенных в гнездах опорных приспособлений 3 под опорными поверхностями для пружин, нагружается по схеме поперечного изгиба до появления в наиболее напряженной зоне нижнего пояса детали (заштриховано в
"клетку") остаточных пластических деформаций в пределах 0,1 — 0,37;. Указанный уровень остаточных деформаций достигается посредством нагружения детали до задан. ного предельного прогиба fop в средней части нижнего пояса, величина которогс опредЕляется эмпирически для каждой конструктивной модификации надрессорно .
1765208
30
45
55 балки. При прогибе fnp горизонтальный участок "b" упирается в устройство ограничения прогиба 4, смонтированное на станине пресса 5 и имеющее подпружиненный штырь 6, выступающий на заданную величину тпp.
Дальнейшее нагружение подпятникового узла "а" осуществляется статической нагрузкой Р, приложенной через промежуточную прокладку 7 на ограниченном участке его опорной поверхности при отсутствии перемещения нижнего пояса детали в вертикальном направлении, Подобный вариант ограничения прогиба нижнего пояса надрессорной балки реализован по техническому решению а,с. 1424907.
Упругопластическое дефармирование подпятникового узла производится при одном из выше указанных вариантов распределения нагрузки на его опорной поверхности. Учитывая, что при конструировании деталей исходят из принципа равнопрочности, то следует ожидать при упругопластическом деформировании нижнего пояса по схеме поперечного изгиба появления остаточных пластических деформаций в подпятниковом узле, хотя бы в окрестности возможных технологических дефектов, коэффициенты концентрации которых существенно больше 1,0 (4). Поскольку цель совмещения операции упругопластического деформирования подпятникового узла с упрочнением нижнего пояса заключается в перераспределении остаточных напряжений таким образом, чтобы превалирующее влияние на формирование их эпюры в верхнем поясе надрессорной балки оказывали упругопластические деформации подпятниковой плиты, то максимальная статическая нагрузка, прикладываемая к ее опорной поверхности, должна существенно превышать величину этой нагрузки, достигнутую при предельном прогибе нижнего пояса. В связи с тем, что при опирании детали на нижний пояс, последний воспринимает нагрузку через вертикальные стенки, то упругопластическое деформирование подпятниковой плиты будет слабо влиять на напряженно-деформированное состояние нижнего пояса. Поэтому величина и распределение нагрузки по опорной поверхности подпятника должны назначаться исключительно из условий упругопластического деформирования подпятникового узла, По результатам исследования напряженно-деформированного состояния подпятникового узла перераспределение остаточных напряжений в этой зоне при упрочнении надрессорной балки по предлагаемому техническому решению в сравнении с известным имеет место при величине максимальной статической нагрузки, превышающей в 1,05 раза величину нагрузки, достигнутую к моменту возникновения в нижнем поясе остаточных пластических деформаций 0,1 — 0,3о . При меньшем, чем в 1,05 раза превышении нагрузки, эффект перераспределения остаточных напряжений не выходит за S погрешность тензометрирования. Это согласуется с результатами усталостных испытаний надрессорных балок в зоне подпятникового узла, проводившимися при той же схеме приложения нагрузки и опирания, что при упругопластическом его деформировании, Режим нагружения принимался по действующей методике контрольных усталостных испытаний с максимальной нагрузкой цикла 80 тс и минимальной нагрузкой 10 тс. Усталостные испытания проводились на гидропульсаторной машине ЦДМ вЂ” 100/200. Всего испытано 8 надрессорных балок, подвергнутых комбинированному упрочнению в практически возможном диапазоне соотношений нагрузок, действующих на опорную поверхность подпятника и нижний пояс, и для сравнения 2 аналогичных деталей, упрочненных только по зоне нижнего пояса (по прототипу). Результаты усталостных испытаний подпятниковых узлов надрессорных балок, упрочненных по заявляемому техническому решению (Рп/Рнп >1,05, где
Pn — максимальная статическая нагрузка, прикладываемая к опорной поверхности подпятника, PHn — нагрузка, достигаемая при предельном прогибе нижнего пояса) и сравниваемым вариантам (1,0< Рп/Рнп<105), приведены в таблице. Они свидетельствуют, что при значениях Рп/P Рп Рнп тенденция повышения сопротивления усталости подпятникового узла деталей, упрочненных по заявляемому техническому решению. Упрочнение со значениями Рп/Рнп> 1,15 оказалось нецелесообразным из-за недостаточной жесткости боковых вертикальных стенок надрессорных балок, вызывающих недопускаемое изменение формы в поперечном сечении. Для оценки влияния комбинированного упрочнения на сопротивление усталости нижнего пояса проведень усталостные испытания при нагружении по схеме поперечного изгиба с опи 1765208 ранием на 2 опоры, расположенные в концевых частях деталей, при режиме с максимальной нагрузкой цикла 80 тс и минимальной нагрузкой 10 тс, Долговечность до разрушения двух надрессорных балок из стали 20ФТЛ оказалась равной 6,9843 10 цикл и 8,5879 10 цикл. По данным полных усталостых испытаний нижняя доверительная граница ограниченной долговечности этих деталей, упрочненных по известному техническому решению, составляет при вероятности нераэрушения 0,95 для данного режима нагружения 5,1148 10 цикл. Это свидетельствует о том, что выносливость по нижнему поясу комбинированно упрочненных деталей не выходит за пределы доверительного интервала рассеяния чисел циклов до разрушения надрессорных балок, упрочненных по способу — прототипу. Пример конкретного выполнения, Надрессорная балка, изготовленная в штампа-сварном исполнении, подвергается упругопластическому деформированию по эксплуатационной схеме нагружения статической нагрузкой, приложенной к центральной части опорной поверхности подпятниковой плиты на площади, ограниченной кругом ф 115 мм. При предельном прогибе нижнего пояса, равном 6,0 мм, де-, таль упирается его средней горизонтальной частью в опору пресса, ограничивающую дальнейшее перемещение в вертикальном направлении. Затем производится дальнейшее увеличение нагрузки до наибольшего значения, превышающего в 1,1 раза нагрузку, достигнутую при предельном прогибе нижнего пояса. После разгрузки детали определяется остаточный прогиб в средней части нижнего пояса, по которому определяют степень упрочнения надрессорной балки, Таким образом, представленные материалы свидетельствуют о существенности 5 отличительных признаков для достижения поставленной цели предлагаемого изобретения и полезного разработанного технической решения, которое планируется к внедрению на вагоностроительных и ваго10 норемонтных заводах. Формула изобретения 1. Способ упрочнения несущих деталей грузовых вагонов, преимущественно надрессорных балок с подпятником, включаю15 щий нагружение детали по заданной схеме статической нагрузкой, совпадающей по направлению с рабочей нагрузкой и вызывающей возникновение остаточных пластических деформаций по величине не выше предела 20 деформации, допускающей отклонение размеров детали от ее базовых размеров, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы балки путем повы ше н ия со противления усталости подпят25 ника, надрессорная балка нагружается по схеме поперечного изгиба от нагрузки прилагаемой к опорной поверхности подпятника при опирании балки на ее наружные концевые части, а после возникновения ос30 таточных пластических деформаций в нижнем поясе балки статическую нагрузку заданной величины прикладывают через промежуточную прокладку и при опирании балки в ее средней части на устройство, 35 ограничивающее изгиб балки, 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что статическую нагрузку, вызывающую деформацию подпятника, прикладывают по величине, составляющей не менее 40 1,05 нагрузки, вызывающей деформацию нижнего пояса балки. 1765208 Результаты сравнительных установочных испытаний подпятниковых узлов бесколоночных надрессорных балок из стали 20фТЛ, упрочненных упругопластическим деформированием -6 Pä /Р„л Иг ° 1 О-- .-ци кл. при P>vvy = 80 тс и Р„„ „ 10 тс Лабораторный Вариант нагружения Р„ц, тс номер детали подпятникового узла P„, тс Ниже нижнего предела 174 Средние значения I 72 3 Нижний предел 176 4 172 174 Средние значения Оптимальный 174 Средние значения 172 7 169 8 Выше оптимального 177 Средние значения 173 9 Выше оптимального 177 1,15 1,15 1,00 1,00 1,ОО 1,00 Средние 10 173 169 172 значения По известному техническому решению значения Средние П р и м е ч а н и е. Р„„ и Рл - величины нагрузки, прикладываемой к опорной поверхности подпятника, соответственно, при достижении нормированного прогиба нижнего пояса и при упругопластическом деформировании подпятникового узла. Составитель В,Гамиров Техред М,Моргентал Корректор Н,Ревская Редактор Заказ 3355 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, )К-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 К- У175 179 177 181 183 187 1Э1 189 194 204 209 204 20Э 169 172 а 1,03 1 >03 1,03 1,05 1,05 1,05 1,10 1,10 1,10 1,15 1015 2,2994 3,0438 2,6716 3,3139 3,6280 3,4705 4,0510 4,7480 4,3995 4,8625 6,0781 5,4703 6,0781 5,4703 2,3222 2,8786 2,8786 2,6004
