Совершенствование технологии производства железнодорожных пружинных противоугонов с целью повышения их эксплуатационных характеристик

Железнодорожный транспорт имеет исключительно важное значение в жизнеобеспечении многоотраслевой экономики и реализации социально значимых услуг по перевозке пассажиров и грузов. На его долю приходится более 75% грузооборота и 40% перевозок пассажиров, выполняемых транспортом общего пользования [1].

Железнодорожный путь является одним из важнейших технических средств железных дорог, от состояния которого зависит непрерывность и безопасность движения поездов, объемы перевозок, а также эффективность использования подвижного состава [2].

Одним из неблагоприятных явлений, возникающих при работе железнодорожного пути, является угон рельсов, который возникает вследствие взаимодействия рельсов с колесами подвижного состава. При угоне рельсы сдвигаются со своих мест и увлекают за собой часть шпал, наблюдается перекос шпал, выпадение подрельсовых прокладок, что в конечном итоге, если не принимать соответствующих мер, может привести к аварийной ситуации.

Продольные силы, вызывающие перемещение рельсов, должны замыкаться на балласт и насыпь. Для этого на участках пути с деревянными шпалами на подошву рельсов ставят противоугоны [3]. В качестве противоугонов применяют пружинные скобы, надеваемые (защелкиванием) на подошву рельсов. Они передают продольные силы либо на путевые подкладки, либо на шпалы. Несмотря на то, что в промышленно развитых странах, а в последние годы I и в нашей стране, наметилась тенденция, связанная с применением в конструкции верхнего строения железнодорожного пути железобетонных шпал с клеммными соединениями, деревянные шпалы с костылями и противоуго-нами все еще широко используются, особенно в районах с резкими перепадами температур (Сибирь, Дальний Восток, Приполярье).

А учитывая то, что количество противоугонов при установке составляет не менее 13 пар на звене длиной 25 м, потребность в противоугонах весьма значительна [4].

При изготовлении противоугона, в процессе формоизменения заготовки на горизонтальных горячегибочных автоматах, формирования упорного выступа на поверхности, противолежащей поверхности контакта заготовки с гибочной оправкой, образуется впадина («седловина») [5]. В процессе эксплуатации зона контакта противоугона с подошвой рельса осуществляется не по всей плоскости упорного выступа противоугона, а по крайним точкам «седловины», что приводит к таким отрицательным последствиям, как подрезка противоуго-ном подошвы рельса, интенсивный износ контактных зон и соскальзывание с места первоначальной посадки. При этом ухудшаются эксплуатационные характеристики противоугонов: снижается сопротивление продольному сдвигу и уменьшается циклическая прочность. Негативное влияние «седловины» на работу противоугона отмечено давно, однако исследованию этого вопроса уделялось мало внимания. Технологический процесс изготовления противоугонов является весьма сложным, что требует от исследователей комплексного подхода к решению возникающих проблемы.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии производства железнодорожных пружинных противоугонов методом гибки-штамповки, реализация которой позволит повысить эксплуатационные характеристики противоугонов.*.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе проведен анализ преимуществ и недостатков различных отечественных и зарубежных конструкций противоугонов. Представлено описание наиболее прогрессивных видов технологических процессов изготовления противоугонов. Приведен обзор известных способов исключения технологических дефектов, возникающих при пластическом изгибе различных видов изделий. Во всех технологических разработках диссертации и их теоретическом обосновании в качестве научного консультанта принимал участие доцент, кандидат технических наук Конев С.В.

Во второй главе проведено теоретическое исследование процесса формоизменения сечения заготовки при поперечном пластическом изгибе с использованием вариационного метода теории обработки металлов давлением. Разработан специальный прием «зеркального отображения» по определению исходной формы поперечного сечения заготовки на основе вычислений конечных перемещений одних и тех же точек поперечного сечения в очаге деформации. Разработан алгоритм решения задачи по определению исходной формы поперечного сечения заготовки для гибки противоугонов.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям поперечного пластического изгиба с целью проверки и подтверждения принятых упрощений и допущений, сделанных в теоретическом разделе исследовании. Предложена трапециевидная форма прокатного профиля поперечного сечения заготовки для изготовления противоугонов. При этом использован один из методов планирования эксперимента — последовательный симплексный метод.

Четвертая глава посвящена промышленной апробации результатов исследования. Усовершенствован технологический процесс гибки-штамповки при производстве противоугонов. Разработана технология прокатки трапецеидального профиля на среднесортном стане горячей прокатки ОАО «ММК». Определены рациональные калибровка и режимы обжатий. Предложена форма закрытого чистового калибра для прокатки трапецеидального профиля с выпуклой формой большего основания трапеции. Изготовлена опытно-промышленная партия прокатного профиля. В условиях кузнечно-прессового цеха ОАО «ММК-МЕТИЗ» на линии гибки-штамповки с индукционным нагревом металла изготовлена опытно-промышленная партия противоугонов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Разработан автоматический кантователь трапециевидных заготовок. Установлено, что противоугоны, изготовленные по разработанной технологии, имеют высокий уровень эксплуатационных свойств. У противоугонов отсутствует «седловина» на упорном выступе. Изготовленная опытно-промышленная партия трапециевидных противоугонов прошла эксплуатационные испытания при сборке рельсошпальной решетки Московско-Павелецкой дистанции пути Московской железной дороги. Установлено, что трапециевидные противоугоны без «седловины» имеют более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с противоугонами традиционной конструкции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— на основе решения вариационной задачи теории пластичности разработана математическая модель формоизменения в процессе гибки заготовок прямоугольного и трапецеидального поперечных сечений на оправке малого радиуса, позволяющая определить поля перемещений в поперечном сечении очага деформации;

— на базе приема «зеркального отображения» разработана методика определения рациональной формы и размеров поперечного сечения исходной заготовки, применение которой позволяет исключить образование «седловины» на поверхности, противоположной контакту заготовки с оправкой;

— на основе использования последовательного симплекс-метода и результатов экспериментальных исследований определена рациональная форма поперечного сечения исходной заготовки для изготовления противоугонов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

На защиту выносятся следующие вопросы:

— анализ отечественных и зарубежных конструкций и технологий изготовления железнодорожных противоугонов, причин, вызывающих снижение эксплуатационных характеристик, и возможных способов исправления технологических дефектов;

— методика получения модели требуемой формы поперечного сечения заготовки противоугона для гибки на основе решения краевой задачи теории пластичности вариационным методом;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивно-технологических параметров на формоизменение и определение рациональной формы поперечного сечения заготовки для противоугонов с повышенными эксплуатационными характеристиками;

— новые технологические решения в технологии гибки-штамповки противоугонов в поточных линиях, позволяющие исключить «узкое место» в технологическом процессе.

Основное содержание диссертации изложено в 15 публикациях, включающих 2 свидетельства РФ на полезную модель. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые материалы: получение и технологии обработки» (Красноярск, 2001 г.) — 1-й Российской конференции по куз-нечно-штамповочному производству «Кузнецы Урала-2005» (Екатеринбург, 2005 г.) — IV Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008 г.), на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова» в 2002;07 гг., а также на расширенном заседании кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова».

Исследовательские работы проводились на кафедре теоретической механики и сопротивления материалов Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, изготовление опытно-промышленных партий противоугонов и их испытания осуществлялись в ОАО «ММК», ОАО «ММК-МЕТИЗ», а также на участке Московско-Павелецкой дистанции пути Московской железной дороги ОАО «РЖД».

ВЫВОДЫ.

1. В условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» изготовлена опытно-промышленная партия противоугонов улучшенной конструкции. За счет применения исходной заготовки трапецеидального сечения удалось устранить технологический дефект, присущий типовым противоугонам («седловину» на опорной поверхности упругого выступа). Объем опытно-промышленной партии- 48 т.

2. Проведены лабораторные испытания противоугонов улучшенной конструкции, которые показали, что по сравнению с типовыми противоуго-нами сила сопротивления сдвигу вдоль подошвы рельса у противоугонов разработанной конструкции возрастает в 1,10−15 раза, а количество циклов до разрушения — в 1,20−1,25 раза.

3. Разработана конструкция специального кантователя, применение которого обеспечивает надежную автоматическую подачу исходных заготовок в виде прутков трапецеидального сечения в линию изготовления противоугонов.

Заключение

:

Противоугоны, изготовленные из заготовки с формой поперечного сечения в виде выпуклой трапеции, могут быть использованы на участках пути с высокой интенсивностью движения поездов на угонных (тормозных) участках пути (особенно в условиях пригородного движения) в течение полного межремонтного срока, что позволит производить их замену при капитальном (среднем) ремонте одновременно с рельсо — шпальной решеткой, удешевить стоимость и оптимизировать сроки проведения работ при замене элементов верхнего строения железнодорожного пути.

От МосковскоПавелецкой дистанции пути Московской железной дороги.

Начальник производственно — технического отдела дистанции пути.

JI.B. Сухарникова.

ОтПТКБ ЦП МПС.

Зав. отделом верхнего строения пути.

А.К. Гучков.

От МГТУ им Г. И. Носова.

Профессор, доктор технических наук, Зав. кафедрой теоретической механики и сопротивления материалов.

Доцент кафедры теоретической механики и сопротивления материалов, кандидат технических наук.

С.В. Конев.

Аспирант ггкфедры теоретической механики и сопротивления материалов.

В.П. Дзюба.