СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ НАДРЕССОРНОЙ БАЛКИ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА Российский патент 1996 года по МПК C21D8/00 

Изобретение относится к области упрочнения стальных несущих деталей, а именно надрессорных балок тележек грузовых вагонов.

Известен способ упрочнения деталей [1] 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 суммируются с перемещенными напряжениями от рабочей нагрузки, уменьшают их абсолютные значения и этим увеличивают сопротивление усталости деталей.

Известное техническое решение применительно к надрессорным балкам повышает выносливость в зоне нижнего пояса, ответственной за аварийные отказы в эксплуатации. Однако оно не предусматривает повышения 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 деформировании детали подпятниковая зона воспринимает только упругие деформации, то возникающие в подпятниковом узле остаточные напряжения могут совпадать по знаку с напряжениями от перевалки кузова, 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 напряжений, вероятность повреждения этой зоны в эксплуатации может существенно повышаться.

За прототип разработанного технического решения принят способ упрочнения несущих деталей грузовых вагонов по заявке N 4814842/02 (044717) с приоритетом от 17.04.90 г. по которому надрессорная балка нагружается по схеме поперечного изгиба от нагрузки, прилагаемой к опорной поверхности подпятника при опирании на наружные концевые части детали, а после возникновения остаточных пластических деформаций в нижнем поясе статическую нагрузку заданной величины прикладывают через промежуточную прокладку и при опирании балки в ее средней части на устройство, ограничивающее изгиб детали.

Техническое решение по способу-прототипу обеспечивает увеличение сопротивления усталости подпятникового узла надрессорной балки, однако не позволяет повысить уровень остаточных сжимающих напряжений в средней части нижнего пояса при опирании на него детали в процессе упругопластического деформирования подпятникового узла. В связи с тем, что в прототипе не регламентируется верхний предел статической нагрузки, прикладываемой к опорной поверхности подпятника, то возможен вариант, при котором остаточные сжимающие напряжения от упругопластического деформирования нижнего пояса будут меньше остаточных растягивающих напряжений, возникающих в нижнем поясе от упругопластического деформирования подпятника. В результате суммарные остаточные напряжения в нижнем поясе будут совпадать по знаку с эксплуатационными напряжениями и снижать долговечность детали. Кроме этого по способу-прототипу нагрузка, прикладываемая к опорной поверхности подпятника задается косвенно в зависимости от нагрузки, достигнутой при упругопластическом деформировании нижнего пояса детали, что затрудняет его реализацию в условиях серийного производства. Необходимо также учитывать сложность реализации способа-прототипа совместно с технологиями обработки опорной поверхности подпятника (а. с. N 1278172, 1433688, 1404229, 1592139), при которых нагрузка должна распределяться практически по всей ее площади.

Недостатки известных технических решений можно устранить, если после достижения заданного прогиба при статическом нагружении надрессорной балки по схеме поперечного изгиба с опиранием на ее наружные концевые части производится увеличение нагрузки, прикладываемой к опорной поверхности подпятника при опирании детали на две опоры, смещенные от центральной оси за границы горизонтального участка нижнего пояса, но не далее вертикальных плоскостей касательных к внутренним краям технологических отверстий на наружных стенках детали, а деформация горизонтального участка нижнего пояса ограничивается устройством с овальным профилем опорной поверхности, радиус которой в продольной плоскости равен как минимум радиусу сопряжения наклонных участков нижнего пояса. При этом деформация средней части нижнего пояса может осуществляться статической нагрузкой, равномерно распределенной по опорной поверхности подпятника и составляющей по величине не менее 1,3 нагрузки, вызывающей деформацию нижнего пояса при опирании на наружные концевые части, с ограничением деформации средней части балки одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

К существенным отличительным признакам, характеризующим заявляемый объект изобретения, относятся следующие:
1) осуществление поперечного изгиба средней части нижнего пояса нагрузкой, прикладываемой к опорной поверхности подпятника при опирании балки на две опоры, смещенные от центральной оси за границы горизонтального участка;
2) расположение опор от центральной оси не далее вертикальных плоскостей касательных к внутpенним краям технологических отверстий на наружных стенках;
3) ограничение деформации горизонтального участка нижнего пояса устройством с овальным профилем опорной поверхности, радиус которой равен как минимум радиусу сопряжения наклонных участков нижнего пояса;
4) деформирование средней части нижнего пояса статической нагрузкой, равномерно распределенной на опорной поверхности подпятника и составляющей по величине не менее 1,3 нагрузки, вызывающей деформацию нижнего пояса, при опирании на наружные концевые части;
5) ограничение деформации средней части балки одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Признаки 1, 2, 3 относятся к достаточным во всех случаях, подпадающих под правовую защиту, а признаки 4 и 5 характеризуют изобретение в конкретной форме выполнения. Существенность перечисленных признаков подтверждается следующим.

При опирании балки на наружные концевые части режим нагружения регламентируется наиболее слабыми зонами детали, расположенными по сечениям, совпадающим с технологическими отверстиями в ее стенках. Поэтому при поперечном изгибе горизонтальная часть нижнего пояса упрочняется в меньшей степени, чем смежные участки. В то же время при упругопластическом деформировании подпятника с опиранием на горизонтальную часть нижнего пояса (по способу-прототипу) в ней деформируются остаточные растягивающие напряжения, суммирующиеся с остаточными сжимающими напряжениями, возникшими ранее от поперечного изгиба нижнего пояса. Следовательно для того, чтобы суммарные остаточные напряжения в нижнем поясе были только сжимающие, необходимо обеспечить его упругопластическое деформирование, а это возможно при уменьшении пролета между опорами при упругопластическом деформировании нижнего пояса. Следовательно, необходимо упругопластическое деформирование нижнего пояса проводить в два этапа: первый по способу-прототипу и второй при поперечном изгибе с опиранием детали на две опоры, вынесенные за горизонтальный участок нижнего пояса, но не далее внутренних краев технологических отверстий на любой из наружных стенок.

Исследованиями напряженно-деформированного состояния нижнего пояса при упругопластическом деформировании надрессорной балки установлено, что для реализации такого режима нагружения необходимо повышение нагрузки на втором этапе как минимум в 1,3 раза больше, чем на первом этапе, независимо от того, на каком участке опорной поверхности подпятника она распределяется. Поскольку на втором этапе нагружения горизонтальная часть нижнего пояса соприкосновения с устройством, ограничивающим прогиб, свободна, то ее поперечный изгиб может осуществляться одновременно с упругопластическим деформированием подпятника. При этом в зависимости от задач, решаемых в случае совмещения упрочнения надрессорной балки с технологиями по обработке опорной поверхности подпятника (такими например, как запрессовка износостойких вкладышей или по а.с. N 1278172, 1433688, 1404229 и 1592139) нагрузка может прикладываться сосредоточенно через промежуточную прокладку или распределяться по всему подпятниковому месту. В последнем случае максимальная нагрузка может возрасти в несколько раз, поэтому необходимо ограничить прогиб горизонтального участка нижнего пояса за счет установки под ним ограничительного устройства. Опорная поверхность этого устройства должна быть овальной с радиусом в продольной плоскости, обеспечивающим плавное сопряжение наклонных участков нижнего пояса с его средней частью. Радиус сопряжения не должен быть меньше отрезка, заключенного между границами горизонтального участка и точкой пересечения линий, перпендикулярных к наклонным участкам нижнего пояса у этих границ. Для исключения уширения коробчатого поперечного сечения средней части балки ограничительное устройство может быть выполнено таким образом, чтобы препятствовать ее деформации одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Такой вариант возможен при запрессовке в подпятниковое место вкладышей, когда статическая нагрузка может на порядок превышать нагрузку, достаточную для деформации средней части нижнего пояса.

На чертеже показана схема упрочнения надрессорной балки тележки модели 18-100.

Нагружение детали 1 производили на прессе 2, обеспечивающем эксплуатационную схему приложения нагрузки при опирании балки на двух опорах 3, расположенных под концевыми участками нижнего пояса. Статическая нагрузка распределилась равномерно по всей площади опорной поверхности подпятникового места 4. При предельном прогибе нижнего пояса, равном 6,0 мм, под наклонные его части 5 подводили две опоры 6 в непосредственной близости с границами горизонтального участка 7.

Деформацию в горизонтальной плоскости ограничивали роликами 8, отстоящими с зазором 1 мм от боковых стенок балки. Снизу деформация средней части ограничивалась опорой с овальной опорной поверхностью 9, радиус которой в продольном направлении составлял 380 мм, что соответствует радиусу сопряжения наклонных участков нижнего пояса у границ горизонтального участка. Нагружение производили до соприкосновения горизонтального участка нижнего пояса с овальной опорной поверхностью. При этом максимальная статическая нагрузка составила 280 тс, тогда как при нагружении до предельного прогиба 6 мм с опиранием на концевые части нижнего пояса нагрузка составляла 170 тс, т.е. меньше в 1,6 раза.

Надрессорные балки, подвергнутые упрочнению, испытывали на сопротивление усталости в зоне подпятникового узла. Режим нагружения принимался по действующей методике контрольных усталостных испытаний с максимальной нагрузкой цикла 80 тс и минимальной нагрузкой 10 тс. При этом средняя долговечность подпятникового узла (опытных деталей) составила 6,35·10⁵ циклов, тогда как у надрессорных балок, упрочненных по способу-прототипу 4,39·10⁶ циклов.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при изготовлении и восстановлении надрессорных балок тележек на вагоностроительных и вагоноремонтных заводах.

Изобретение относится к области упрочнения стальных несущих деталей, а именно надрессорной балки тележки грузового вагона. Сущность изобретения: надрессорную балку нагружают по схеме поперечного изгиба от нагрузки, прилагаемой к опорной поверхности подпятника при опирании балки на ее наружные концевые части, вызывающей возникновение остаточных пластических деформаций, не превышающих допускаемое отклонение размеров детали от ее базовых размеров, с ограничением деформации нижнего пояса при последующем увеличении нагрузки за счет его опирания на устройство, препятствующее изгибу балки, причем после достижения заданного прогиба средней части нижнего пояса производится ее поперечный изгиб с опиранием балки на две опоры, смещенные от центральной оси к наклонным участкам нижнего пояса, но не далее вертикальных плоскостей касательных к внутренним краям технологических отверстий на наружных стенках детали, а деформация горизонтального участка нижнего пояса ограничивается устройством с овальным профилем опорной поверхности, радиус которой в продольной плоскости равен как минимум радиусу сопряжения наклонных участков нижнего пояса. При этом деформацию средней части нижнего пояса осуществляют статической нагрузкой, равномерно распределенной по опорной поверхности подпятника и составляющей по величине не менее 1,3 нагрузки, вызывающей деформацию нижнего пояса при опирании балки на наружные концевые части, а деформацию средней части детали ограничивают одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ НАДРЕССОРНОЙ БАЛКИ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА, включающий нагружение по схеме поперечного изгиба от нагрузки, прилагаемой к опорной поверхности подпятника при опирании балки на ее наружные концевые части, вызывающей возникновение остаточных пластических деформаций, не превышающих допускаемое отклонение размеров детали от ее базовых размеров с ограничением деформации нижнего пояса при последующем увеличении нагрузки за счет его опирания на устройство, препятствующее изгибу балки, отличающийся тем, что по достижении заданного прогиба средней части нижнего пояса производится ее поперечный изгиб при опирании балки на две опоры, смещенные от центральной оси к наклонным участкам нижнего пояса, но не далее вертикальных плоскостей касательных к внутренним краям технологических отверстий на наружных стенках детали, а деформация горизонтального участка нижнего пояса ограничивается устройством с овальным профилем опорной поверхности, радиус которой в продольной плоскости равен как минимум радиусу сопряжения наклонных участков нижнего пояса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию средней части нижнего пояса осуществляют статической нагрузкой, равномерно распределенной по опорной поверхности подпятника и состаавляющей по величине не менее 1,3 нагрузки, вызывающей деформацию нижнего пояса при опирании на наружные концевые части, причем деформацию средней части балки ограничивают одновременно в оризонтальной и вертикальной плоскостях.