Лаборатория конечноэлементного анализа DSMFEM

Русский
English

Рельсогибы используются для гиба рельсов необходимому профилю на месте их укладки.

На испытаниях новой модели рельсогиба при доведении нагрузки на домкрате до 78 тс произошло разрушение захвата. Требовалось выяснить причины разрушения и предложить улучшения конструкции.

Опытная модель рельсогиба на испытаниях.

Средняя зона поверхности излома (см. рис. ниже) крупнозернистая, однородная. По краям две зоны шириной около 1.5 мм с мелкозернистой структурой, характерной для закаленных сталей (стрелки 1). На этих зонах имеются темные пятна неизвестного происхождения (стрелки 2), возможно от попадания краски с поверхности в трещины, которые появились после плазменной резки.

На боковой поверхности фрагмента зажима была обнаружена трещина. Нельзя исключить, что под слоем краски имеются и другие трещины.

Твердость поверхностей захвата в точках 1 и 2  была измерена при помощи электронного твердомера ТЭМП-4. Поверхность, удаленная от плазменного реза (точка 1), имеет твердость 23…30 HRC (240…277 HB).

Эти значения соответствуют твердости стали после отжига или прокатки. Поверхность, полученная в результате плазменной резки (точка 2), имеет твердость 45…48 HRC (419…456 HB), что соответствует закаленной стали без отпуска. Это позволяет предполагать, что разрушение произошло из-за недопустимо высоких напряжений при малой пластичности поверхностного слоя.

Зернистая структура нв поверхности хрупкого излома

Поверхность излома.

Трещина на боковой поверхности захвата
Хрупкий излом

Трещина на боковой

поверхности.

Точки измерения твердости.

Линейный анализ показал, что для нагрузки 78 тс в средней плоскости захвата, уровень напряжений в сечении захвата достигает 650 МПа, а на поверхности в зоне радиусного перехода превышает 1500 МПа, что выше предела прочности стали 40Х. В действительности контакт рельса с захватом происходит по краю Кроме того, после плазменной резки в конструкции могли присутствовать остаточные напряжения.

Таким образом, можно сделать вывод, что разрушение захвата произошло из-за высоких напряжений в области радиусного перехода, малой пластичности материала из-за термического влияния при плазменной резке и наличия микротрещин.

Для улучшения конструкции было предложено:

  1. После плазменной резки подвергнуть деталь закалке с отпуском при температуре 500…600°C либо нормализации, при которой деталь выдерживается около двух часов при температуре 840...860°C и охлаждается на спокойном воздухе. В этом случае предел текучести стали 40Х составит 345 МПа, а предел прочности не менее 590 МПа при относительном удлинении до 17%.

  2. Поверхности, полученные в результате реза, подвергнуть фрезерованию на глубину 2…3 мм.

  3. Поверхность, на которую опирается рельс, подвергнуть фрезерованию для исключения контакта рельса с краем захвата.

  4. Увеличить сечение основной части захвата с 65 мм до 85 мм и снизить уровень концентрации напряжений в радиусном переходе путем увеличения радиуса перехода с 5 мм до 12-15 мм за счет его заглубления в тело захвата.

Эквивалентные напряжения в захвате рельсогиба

Эквивалентные напряжения (МПа) для исходной и улучшенной конструкции захвата рельсогиба.

Напряжения в зоне перехода остаются высокими (до 900 МПа), причем существенно увеличить радиус перехода невозможно из-за конструктивных ограничений, а увеличение высоты сечения почти не снижает напряжений в этой зоне. Поскольку зона высоких напряжений невелика, в ней допустимо появление малых пластических деформаций. Для их учета был выполнен расчет с учетом упруго-пластических деформаций, результаты которого приведены на рисунке ниже.

Эквивалентные напряжения область пластическких деформаций для улучшенной конструкции

Эквивалентные напряжения и зона пластической деформации для улучшенной конструкции.

Предварительные расчеты выполнялись в предположении, что головка рельса опирается на нижнюю часть захвата, а стенка рельса захватом не нагружена. В этом случае подошва рельса остается практически прямой, и напряжения в ней не превышают 320 МПа, то есть, она испытывает только упругую деформацию.

Напряженно-деформированное состояне рельса при гибке

Эквивалентные напряжения (МПа) в рельсе при гибе для исходной конструкции захвата.

Для изгиба рельса целиком необходимо нагружать его вблизи центра изгиба, прикладывая нагрузку к стенке рельса или одновременно к головке и подошве. В этом случае контакт рельса с захватом будет происходить на конце крюка, что приведёт к значительному увеличению напряжений в захвате. Поэтому следует увеличить ширину захвата до 100 мм и толщину до 80 мм. Напряжения и зона пластических деформаций для последнего случая приведены на рисунке (слева и в середине, соответственно).

Теперь прочность захвата обеспечена, но появление области пластических деформаций на нижней стороне захвата (точка А) нежелательно. Для уменьшения этой зоны толщина нижнего элемента захвата была увеличена на 10 мм. Зона пластических деформаций для этого случая показана на рисунке (справа).

Эквивалентные напряжения и области пластической деформации для захвата рельсогиба

Эквивалентные напряжения (МПа) и зоны пластической деформации.

По результатам исследования:

Оптимизация конструкции захвата рельсогиба

  • предложены изменения конструкции захвата для обеспечения его прочности;

  • даны рекомендации по изменению термической и механической обработки поверхностей захвата;

  • оптимизирована схема нагружения рельса для обеспечения его изгиба требуемым образом.