Бронзовые пружины для исторических железных дорог: свойства материалов

1. Почему на исторических железных дорогах появляются Бронзовые источники

На исторической железной дороге используются исторические локомотивы, вагоны и путевое оборудование, часто на линиях, подверженных воздействию влажного воздуха, морского тумана и длительного хранения на открытом воздухе. В оригинальном оборудовании эпохи пара использовались бронзовые пружины во многих мелких компонентах: управляющие пружины, пружины защелки, детали буфера и подшипников, пружины переключателей и пружины приборов. Этот материал был выбран в свое время по практическим соображениям, которые актуальны и сегодня: бронза не ржавеет, как углеродистая сталь, выдерживает влажность и соленый воздух, сохраняя лишь поверхностную патину, она не-магнитна и не-искря, и ее можно отливать или вытягивать в пружинные формы, соответствующие оригинальным рисункам.

Таким образом, для проекта реставрации ценность бронзовой пружины двойная: подлинность (компонент выглядит и ведет себя так же, как оригинал) и долговечность в среде наследия (отсутствие ржавчины, стабильные размеры, предсказуемое расслабление). Инженерное ограничение состоит в том, что бронза мягче и менее жесткая, чем сталь, поэтому бронзовые пружины подходят для легких нагрузок и низких скоростей традиционных операций, а не для работы на основной-линии.

2. Свойства материалов бронзовых пружинных сплавов.

Проволока из тянутой фосфористой бронзы, используемая для пружин, имеет предел прочности на разрыв в диапазоне 400-600 МПа в зависимости от отпуска, что составляет примерно от трети до половины прочности закаленной пружинной стали. Поскольку модуль упругости примерно вдвое меньше, чем у стали, бронзовая пружина той же геометрии прогибается примерно в два раза больше при той же нагрузке; Поэтому в конструкции пружины должно использоваться больше витков или более тяжелая секция для достижения требуемой скорости, а рабочее напряжение должно оставаться в пределах нижнего предела усталости бронзы.

3. Где бронзовые пружины уместны, а где нет

Подходят: управляющие пружины, защелки и стопорные пружины, небольшие детали буфера и подшипников, переключающие и точечные пружины на легкой трассе наследия, инструментальные пружины и любые компоненты, историческая точность которых является частью лицензии на эксплуатацию.

Подходит с осторожностью: подвеска помогает старинным автобусам, движущимся на традиционных скоростях (обычно 30–60 км/ч), где нагрузка умеренная, а пружина защищена от песка.

Не подходят: основные пружины подвески транспортных средств, эксплуатирующихся в регулярных пассажирских перевозках, пружины, несущие большие нагрузки на ось, а также любые пружины, которые должны работать при высоких нагрузках или высокой частоте; Стальные или нержавеющие пружины являются здесь инженерным выбором.

Нецелесообразно без проверки конструкции: замена стальной пружины бронзовой пружины тех же размеров, поскольку меньший модуль упругости и прочность изменяют жесткость пружины и уровень напряжения.

4. Выбор, установка и проверка мастерских по наследию.

Приобретите бронзовую пружинную проволоку в соответствии с ее фактическими характеристиками: фосфористая бронза (медь-олово-фосфор) соответствующего состояния и запросите у поставщика сертификат прочности и модуля упругости.

Проектируйте с учетом свойств бронзы: рассчитывайте жесткость пружины с модулем около 105-115 ГПа и поддерживайте рабочее напряжение ниже предела выносливости сплава, а не ниже показателя стали.

Сохраняйте оригинальные размеры там, где подлинность имеет значение: измерьте оригинальную пружину и воспроизведите ее геометрию; пружина, выглядящая по-другому, сразу видна инспектору и посетителю.

Защищайте пружину в процессе эксплуатации: держите ее чистой и слегка смазанной, избегайте попадания песка и проверяйте релаксацию (потерю свободной длины) во время капитального ремонта, поскольку бронза при температуре расслабляется сильнее, чем сталь.

Проверьте на наличие трещин и остаточную посадку: используйте проникающую краску или визуальный осмотр концов и изгибов витков и замените пружины, потерявшие свободную длину больше, чем разрешено.

Запишите сертификат материала вместе с транспортным средством или в записи послужного списка, чтобы замененные пружины соответствовали исходным характеристикам, и инспектор мог проверить жесткость пружины.

5. Распространенные заблуждения

«Бронзовые пружины так же прочны, как и стальные пружины».ЛОЖЬ. Бронза имеет примерно половину модуля упругости и от трети до половины прочности на разрыв, чем закаленная пружинная сталь; его выбирают из-за коррозионной стойкости и подлинности, а не из-за прочности.

«Бронзовая пружина никогда не подводит».ЛОЖЬ. Бронза расслабляет и утомляет, как любой весенний материал; при правильном низком рабочем напряжении он служит долго, но перегрузка, песок и нагрев сокращают его срок службы.

«Бронза — это единый сплав».ЛОЖЬ. Семейство бронз включает множество медно--оловянных композиций; для пружин подходящей спецификацией является фосфористая бронза с правильным содержанием олова, фосфора и закалкой, а не декоративное литье из бронзы.

«Замена стальной пружины на бронзовую того же размера — это прямой обмен».ЛОЖЬ. Разный модуль изменяет жесткость и прогиб пружины; конструкцию необходимо пересчитать, иначе пружина будет вести себя не так, как задумано.

«Бронзовые пружины — это только для галочки».ЛОЖЬ. Они выполняют реальную функцию в традиционном оборудовании, а их коррозионная стойкость действительно полезна во влажной среде; дело в том, чтобы спроектировать их с учетом тех нагрузок, которые они фактически будут нести.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1. Почему на исторических железных дорогах используются бронзовые пружины?

Устойчивость к коррозии (отсутствие красной ржавчины во влажной и прибрежной среде), историческая точность (соответствие оригинальным компонентам той эпохи), не-немагнитное поведение и низкий уровень искр-, а также стабильные размеры только с поверхностной патиной.

Вопрос 2: Каковы основные механические свойства бронзового пружинного материала?

Пружинная проволока из фосфористой бронзы имеет модуль упругости около 105-115 ГПа и прочность на разрыв около 400-600 МПа в вытянутом состоянии, что примерно вдвое меньше модуля и от трети до половины прочности закаленной пружинной стали.

Вопрос 3. Может ли бронзовая пружина заменить стальную пружину на устаревших моделях?

Только при проверке конструкции: поскольку модуль и прочность ниже, жесткость пружины и напряжение изменяются. При небольших нагрузках и традиционных скоростях это может работать после перерасчета; для основной подвески при регулярной эксплуатации инженерным выбором остается сталь.

В4: Какая марка бронзы используется для пружин?

Фосфористая бронза (сплав меди-олова с небольшой добавкой фосфора) пружинной закалки, поставляемая в виде тянутой проволоки или полосы с документально подтвержденной прочностью на разрыв; декоративная бронза не является заменой.

В5: Как следует проверять бронзовые пружины?

Визуально и с помощью красителя на концах катушки и изгибах на наличие трещин, плюс измерение свободной длины для релаксации (постоянная установка). Пружины, потерявшие больше допустимой свободной длины, заменяются.

В6: Какие нагрузки подходят для бронзовой пружины?

Легкие нагрузки: управляющие пружины, защелки, защелки, небольшие детали буфера и подшипников, а также пружины выключателей света на траке наследия. Для более тяжелых или высокочастотных-режимов пружина должна быть рассчитана на бронзовые свойства или вместо нее должна быть указана стальная пружина.