Почему соединения рыбной пластины выходят из строя
Соединения накладок выходят из строя тремя характерными способами. Наиболее распространенным является растрескивание вокруг отверстий под болты: коэффициент концентрации напряжений в обработанном отверстии под болт может достигать около 3,0, а при знакопеременных нагрузках колеса усталостные трещины возникают на кромке отверстия и растут наружу. Второй вид — это износ контактной поверхности между накладкой и стенкой рельса, вызванный небольшим относительным скольжением, возникающим при изгибе соединения под каждой осью; как только глубина износа превысит около 0,5 мм, посадка соединения ослабнет, и весь узел начнет работать. Третий режим — разрушение тела, при котором трещина увеличивается до критической длины и пластина внезапно ломается; это чаще всего наблюдается на магистральных-магистральных линиях и представляет собой неисправность, из-за которой соединение без предупреждения выводится из строя. Качество установки контролирует степень повреждения: недостаточно-затянутые болты оставляют зазор соединения открытым и усиливают концентрацию напряжений, а чрезмерная-затяжка пластически деформирует накладку и снижает ее усталостную прочность. Коррозия на береговых линиях ускоряет рост трещин, а низкие температуры снижают прочность, поэтому для соединений в холодном-климате необходимы материалы, проверенные на устойчивость к энергии удара при низких-температурах.
Градиентное усиление: одна часть, две микроструктуры
Градиентное упрочнение сочетает в себе упрочнение матрицы и поверхностное упрочнение в одном компоненте. Рыбья пластина сначала закаливается и отпускается: нагревается до 860-880 градусов, закаливается, затем отпускается при 580-600 градусах, в результате чего получается закаленная сорбитовая матрица с высокой прочностью, подтвержденной энергией удара по Шарпи не менее 50 Дж при -20 градусах (испытано по ISO 148-1 / GB/T 229). Затем поверхность подвергается индукционной закалке, при которой контактная поверхность и зона вокруг отверстий под болты локально нагреваются до 900-920 градусов с последующим быстрым охлаждением, образующим отпущенный мартенситный слой толщиной 2-3 мм при температуре 55-60 HRC. Переходный слой между твердой поверхностью и жесткой матрицей регулируется до 1-2 мм, поэтому изменение свойств происходит постепенно; резкое изменение создаст собственную концентрацию стресса. Готовая накладка твердая там, где она скользит и изнашивается, и жесткая там, где ей приходится поглощать удары.
-Процессы сопротивления износу контактной поверхности
| Процесс | Толщина слоя | Твердость | Лучшее соответствие |
|---|---|---|---|
| Индукционная закалка | 2-3 мм | Больше или равно 55 HRC | Standard lines; wear resistance >3x необработанный |
| Плазменная сварка распылением | 3-4 мм | 60-65 HRС | Тяжелые-магистральные линии; накладка из сплава-на основе железа |
| Газовое азотирование | 0,3-0,5 мм | 900-1000 ВВ | Прибрежная/агрессивная среда |
Индукционная закалка является наиболее широко используемым способом: она быстрая, локальная и повторяемая. Плазменная сварка распылением наносит слой сплава на основе железа-толщиной 3-4 мм при температуре 60-65 HRC, что примерно вдвое увеличивает срок службы индукционной-закаленной поверхности и предназначена для накладок для тяжелых-магистральных перевозок. Газовое азотирование при температуре 520-540 градусов образует тонкий, очень твердый и устойчивый к коррозии слой, подходящий для береговой эксплуатации. Независимо от процесса, перед обработкой контактная поверхность должна быть очищена от окалины и дефектов до Ra менее или равного 1,6 мкм, а также повторно проверена плоскостность и точность размеров готовой поверхности, чтобы соединение правильно прилегало к стенке рельса.
Усталостный расчет отверстий под болты
Отверстия для болтов — это места, где замирают соединения, поэтому проектные работы сосредоточены именно на них. Удлинение отверстия в направлении главного напряжения, эллиптического отверстия, длинная ось которого совпадает с траекторией нагрузки, снижает коэффициент концентрации напряжений примерно с 3,0 до менее 1,5 и резко снижает вероятность возникновения трещины. Если форма отверстия зафиксирована стандартным чертежом, то периферию отверстия подвергают холодной-прокатке с образованием остаточного сжимающего слоя толщиной 0,2-0,3 мм при -300 до -400 МПа; сжимающее остаточное напряжение компенсирует знакопеременное растягивающее напряжение и замедляет рост трещин. Альтернативой является лазерная закалка, закалка кольца шириной 5-8 мм вокруг отверстия до твердости выше 55 HRC. Сам болт имеет переходную посадку и зазор 0,05-0,1 мм, достаточно тугой, чтобы избежать ударов и провисания, и достаточно свободный, чтобы избежать предварительной нагрузки на кромку отверстия. После применения процесса прототипы соединений подвергаются усталостным испытаниям, чтобы доказать, что отверстия выдерживают необходимое количество циклов переменных нагрузок без трещин.
Приемочные испытания соединений на усталость
Квалификационное тестирование охватывает три показателя. Усталостная долговечность проверяется на стенде для усталости соединений, который применяет моделирующие нагрузки на колеса: соединения для высокоскоростных-линий должны выдержать 5 миллионов циклов без повреждений, соединения для тяжелых-тяговых перевозок – 3 миллиона, а обычные-скоростные соединения – 2 миллиона. Напряжение вокруг отверстий под болты измеряется тензодатчиками во время испытания и должно оставаться ниже предела выносливости материала с коэффициентом концентрации напряжений не выше 1,5. Износ контактной-лицевой поверхности измеряется профилометром после испытания и не должен превышать 0,2 мм. При приемке партии дополнительно проверяется точность размеров и распределение твердости; партия проходит проверку, если все показатели соответствуют спецификации и процент квалификации партии составляет не менее 98 %, при этом не-детали, не соответствующие требованиям, перерабатываются или списываются. Сам материал рельсов регулируется стандартом GB/T 2585-2021, а совместная практика проектирования соответствует главе 4 AREMA для проектов в Северной Америке.
Часто задаваемые вопросы
Почему трещины начинаются в отверстиях под болты, а не в зазоре рельса?
Отверстие для болта прерывает поток напряжений и умножает местное напряжение примерно в 3 раза, поэтому даже умеренные изгибающие нагрузки создают достаточно высокие локальные напряжения, чтобы вызвать усталостные трещины; сам зазор в основном контролирует износ и удары.
С каким моментом следует затягивать болты накладки?
Крутящий момент определяется размером болта и стандартом крепления лески; Основным правилом является достижение заданной предварительной нагрузки без чрезмерной-затяжки, поскольку недостаточный-крутящий момент открывает зазор соединения, а чрезмерный-крутящий момент пластически деформирует накладку.
Можно ли повторно-шлифовать азотированные накладки после износа?
Только в пределах слоя нитрида толщиной 0,3-0,5 мм. Как только шлифовка удаляет этот слой, защита от коррозии и износа теряется, и деталь необходимо заменить или повторно обработать.
Допускаются ли эллиптические отверстия для болтов всеми стандартами?
Нет. Стандартные накладки имеют круглые отверстия на чертеже; эллиптическая конструкция является инженерной мерой для особых-соединений, требующих высокой нагрузки, и требует утверждения проекта. Там, где форма отверстия не может измениться, вместо этого используется прокатка или лазерная обработка периферии.
Как долго прослужит накладка-усиленная с градиентом?
Срок службы зависит от тоннажа, нагрузки на ось и условий окружающей среды, но сочетание прочной матрицы, твердой контактной поверхности и обработанных отверстий для болтов обычно продлевает срок службы соединения намного больше, чем просто закаленные-и-отпущенные накладки, поэтому оно является стандартом для обслуживания соединений тяжелых-трасс и высоких-скоростей.