МАШИНА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ЗНАКОПЕРЕМЕННЫЙ ИЗГИБ И ПЕРЕМЕННЫЕ КОНТАКТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к области механических испытаний и может быть использовано для трибоиспытаний материалов в условиях одновременного действия знакопеременных напряжений изгиба и переменных контактных напряжений, преимущественная область применения железнодорожный путь.

На поверхности катания рельсов, уложенных главным образом в кривых участках пути, возникают после определенной массы перевезенного груза контактные повреждения и поперечные трещины усталости, условно обозначенные по общесоюзной классификации дефектов железнодорожных рельсов [1] номерами 11. _1-2 и 21. _1-2. Образование этих повреждений связано как с условиями их эксплуатации, так и характеристиками рельсовой стали: твердостью, структурой, легированием и др.

Известны устройства, которые позволяют осуществлять знакопеременные напряжения изгибов при чистом и поперечном изгибе как при вращении, так и при их нагружении в одной плоскости [2,3] Трещина усталости в испытанных на описанных машинах образцах возникает от зоны с наибольшими растягивающими напряжениями, а наклеп поверхности образцов приводит к увеличению их усталостной прочности. В рельсах же поперечная трещина возникает в предварительно наклепанной части головки при наибольших сжимающих напряжениях, вызванных колесами подвижного состава. При этом трещина не появляется от кромки подошвы рельса, где растягивающие напряжения от изгиба наибольшие, а наклеп поверхности подошвы отсутствует. В связи с этим испытания образцов с помощью упомянутых машин [2,3] не моделируют поперечные трещины, появляющиеся в рельсах (21._1-2).

Рекомендованная ГОСТом 25.501-78 в приложении 7 машина для испытания на контактную усталость типа МКВ-КМ [4] предусматривает проведение испытаний образцов с цилиндрической или сферической поверхностями катания. Образец в этой машине обкатывается под нагрузкой между двумя цилиндрическими дисками. Такие испытания удовлетворительно моделируют условия работы роликов или шариков подшипников качения и малопригодны при воспроизведении контактных повреждений, появляющихся в рельсах.

Существенное преимущество по сравнению с машиной МКВ-КМ имеет четырехроликовая испытательная машина [5] принятая в в качестве прототипа. В этой машине цилиндрический образец, насаженный на конусную часть шпинделя машины, обкатывается под нагрузкой четырьмя роликами с цилиндрическими поверхностями катания. В этой машине за один оборот образца контактные напряжения изменяются четыре раза. Поэтому такая машина, при прочих равных условиях, является более быстроходной по сравнению с двумя нажимными роликами.

Шпиндель четырехроликовой машины с насаженным на него образцом приводится во вращение через упругую муфту непосредственно от электромотора. Нажимные ролики соединены в цепь. Один конец цепи укреплен шарнирно с кронштейном на стойке, а второй конец замыкается пятикратным двуплечим рычагом, укрепленным шарнирно в вырезах стоек. При приложении нагрузки на конец рычага происходит четырехстороннее сжатие образца одинаковыми взаимно уравновешенными силами. Испытания проводились до возникновения на поверхности катания образцов контактных повреждений в условиях объемного напряженного состояния.

На рельсах же, особенно уложенных в кривых, контактные повреждения (11. _1-2) возникают в зоне боковой выкружки головки при переменных напряжениях в условиях одно- и двухточечного контакта колеса с рельсом при наличии краевого эффекта.

В связи с изложенным испытания образцов на контактную усталость с помощью описанной машины, принятой в качестве прототипа, не моделируют контактные повреждения рельсов (11._1-2).

Целью изобретения является создание испытательной машины, с помощью которой можно одновременно воспроизвести на образцах контактные повреждения и поперечные трещины рельсов.

Поставленная цель достигается тем, что кольцевые образцы, имитирующие рельсы, устанавливаются с двух сторон на опорах обоймы и и крепятся на конусной втулке фасонными гайками. Образцы с обоймой и конусной втулкой крепятся на конце шпинделя машины. Кольцевые образцы обкатываются под нагрузкой нажимными роликами с цилиндрической и конической поверхностями катания, установленными друг за другом. Один конец цепи шарнирно укреплен на кронштейнах стоек, а второй замыкается на одном плече двуплечим пятикратным рычагом, шарнирно укрепленным в вырезах стоек, с нагрузкой на другом его плече. При таком нагружении в сечениях образцов между опорами обоймы возникают знакопеременные напряжения изгиба, а на поверхности катания образцов - переменные контактные напряжения. При одновременном действии знакопеременных напряжений изгиба и переменных контактных напряжений в зоне наклепа возникают поперечные трещины усталости и одновременно контактные повреждения.

Появляющиеся поперечные трещины в образцах имитируют поперечные трещины [1] в рельсах (21._1-2).

Образующиеся на поверхности катания образцов контактные повреждения имитируют контактные повреждения рельсов (11._1-2).

В процессе анализа патентной и технической литературы автором не обнаружено устройств испытательных машин, которые позволили бы осуществить на образцах знакопеременные напряжения изгиба с переменными контактными напряжениями и тем самым воспроизвести поперечные трещины (21._1-2), а также одновременно контактные повреждения (11._1-2) рельсов.

В связи с изложенным можно утверждать, что заявленная машина для одновременного воспроизведения на образцах контактных повреждений (11._1-2) и поперечных трещин (21._1-2) в рельсах отвечает критерию "существенные отличия".

Исследуя работу рельсов в пути, установлено, что рельсы, уложенные на шпалах, подвергаются знакопеременным напряжениям изгиба. Под колесом в головке рельса возникают сжимающие напряжения изгиба, а в подошве растягивающие. В сечениях же между колесами, например, тележки вагона, возникают существенно меньшие напряжения изгиба: в головке растягивающие напряжения, а в подошве сжимающие. Одновременно боковая выкружка головки рельсов, особенно уложенных в кривых, подвергается переменному контактному нагружению в условиях одно- и двухточечного контакта колеса с рельсом.

Совместное действие переменных контактных напряжений и знакопеременных напряжений изгиба является необходимым условием для появления поперечных трещин в рельсах.

В связи с изложенным при воспроизведении поперечных трещин рельсов (21. _1-2) на образцах должны соблюдаться следующие условия: 1) поперечная трещина в образцах должна развиваться от области, предварительно подвергнутой пластической деформации; 2) образцы должны быть нагружены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, что имитирует одно- и двухточечный контакт колеса с рельсом при движении колес в кривой с вилянием; 3) точки поперечного сечения образца должны воспринимать знакопеременные напряжения изгиба: растяжение с последующим сжатием; 4) поперечные трещины на образцах должны быть похожи на поперечные трещины в рельсах.

При воспроизведении только контактных повреждений рельсов (11._1-2) на образцах должно осуществляться нагружение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Контактные повреждения на образцах и рельсах должны быть похожими друг на друга.

На фиг. 1, 2 приведены в двух проекциях схемы машины на знакопеременный изгиб и переменные контактные напряжения, с помощью которой воспроизводятся на образцах поперечные трещины (21._1-2) и контактные повреждения (11._1-2) рельсов; на фиг. 3 схема крепления образцов на опорах обоймы, соединения обоймы с конусной втулкой, а также нагружения образцов нажимными роликами с конической и цилиндрической поверхностями катания; на фиг.4 схемы нагружающего устройства машины, а также нагружения образцов нажимными роликами с конической и цилиндрической поверхностями катания.

Машина (фиг.1, 2) состоит из корпуса 1, в котором расположен шпиндель 2 и редуктор, с помощью которого передается вращение счетчику оборотов 3.

Корпус установлен на сборной станине 4.

Электромотор 5 расположен на отдельной тумбе 6 для уменьшения влияния вибрации от электромотора на машину.

Вращение от электромотора передается через упругую муфту 7 шпинделю машины.

Нагружающее устройство 8 представляет собой цепь, один конец которой крепится шарнирно с помощью призм на кронштейнах стоек 9, а второй - замыкается также шарнирно с помощью призм двуплечим пятикратным рычагом 10 с подвеской 11, на которую подвешиваются грузы 12. Рычаг также крепится шарнирно с помощью призм на тех же стойках 9.

Нагружающее устройство закрывается кожухом 13. С помощью капельной масленки 14 подается в кожух машины на испытуемые образцы жидкость, которая стекает в емкость 15. Гайкой 16 крепится конусная втулка с обоймой и образцами на шпинделе машины.

Кольцевые образцы 17 (фиг.3) диаметром 80 мм, сечением 6 х 3 мм устанавливаются с двух сторон от обоймы 18 с восемью опорами и укрепляются штифтом 19 от угона по опорам обоймы.

Проводились испытания образцов больших диаметров с различной площадью поперечного сечения. Для этой цели нажимные ролики в нагружающем устройстве изготовлялись соответственно меньших диаметров.

Обойма с установленными на ней образцами крепится на конусной втулке 20 с помощью фасонных гаек 21 и контргаек 22. Одновременно испытываются два образца.

Нажимные ролики в нагружающем устройстве машины приняты с конической 23 и цилиндрической 24 поверхностями катания. Эти ролики установлены друг за другом. В связи с этим на поверхности катания образцов создаются переменные контактные напряжения, имитирующие одно и двухточечное касание колеса с рельсом при качении в кривых вилянием и одновременно знакопеременные напряжения изгиба в сечениях образцов между опорами обоймы.

Для установки конусной втулки с укрепленными на ней образцами на шпинделе машины необходимо снять кожух 13 (фиг.1, 2), снимаются грузы 12, освобождаются на кронштейнах стоек 9 верхние концы цепи с нажимным роликом 23 и поворачиваются против часовой стрелки относительно оси верхнего нажимного ролика 24 (фиг.3, 4); на освободившуюся конусную часть шпинделя (не показана на фиг.1, 2) одевается конусная втулка с образцами и крепится на нем гайкой с контргайкой 16 (фиг.1, 2).

Далее вновь соединяются верхние концы цепи с кронштейнами стоек 9, подвешиваются на рычаг 10 грузы 12, одевается кожух 13, открывается капельная масленка 14, включается электромотор.

Для осмотра образцов машина останавливается, закрывается капельная масленка, снимается кожух 13. Поворачивая вручную шпиндель машины, визуально или с помощью микроскопа оценивается поврежденность образцов контактными дефектами и поперечными трещинами усталости.

Из схемы нагружающего устройства машины видно (фиг.4), что образцы 17, укрепленные на обойме 18, обкатываются четырьмя нажимными роликами с конической 23 и цилиндрической 24 поверхностями катания, соединенными друг за другом в цепь. Верхний конец цепи укреплен кронштейном шарнирно, а нижний - замыкается также шарнирно пятикратным двуплечим рычагом.

При приложении нагрузки Q на подвеску рычага оба образца испытывают четырехстороннее сжатие силами Т, равными:

Давление P цилиндрического ролика на образец (фиг.4, в,д) равно:

Давление ролика с конической поверхностью на образец (фиг.4) равно:
N T•cos 45^o 5 Q.

Силы P, являющиеся составляющими сил N (фиг.4), равны:
P N•cos 45^o 5 Q•cos 45^o 3,54 Q.

Таким образом, каждый образец одновременно нагружается четырьмя одинаковыми, уравновешенными между собой силами P 3,54 Q в радиальном и такими же двумя силами в горизонтальном направлениях. Тем самым имитируется одно-и двухточечный контакт колеса с рельсом при его качении в кривой с вилянием.

При определении изгибающих напряжений кольцевые образцы из-за малой их кривизны приняты в виде неразрезной балки на восьми опорах, нагруженные силами P посредине пролетов в вертикальной (Приложение 1) и горизонтальной (Приложение 2) плоскостях.

Построенные эпюры изгибающих моментов и соответствующий им вид изогнутой оси балки свидетельствует, что образцы в сечениях между опорами, как и рельсы, воспринимают знакопеременные напряжения изгиба при их вращении относительно нажимных роликов.

В характерных точках сечения образца (Приложение 3) найдены напряжения и построены в этих точках циклы знакопеременных напряжений (Приложение 4).

Поперечная трещина в образцах преимущественно развивается в зоне второй точки сечения образца (Приложение 3). Если в образце первоначально образуется продольная трещина, то поперечная трещина, как и в рельсе (Приложение 5), развивается также от продольной трещины (Приложение 6), как от дополнительного концентратора напряжений.

Испытания проводились в следующем порядке. На подвеску рычага машины задавалась нагрузка, при которой наиболее быстро образуются контактные повреждения и поперечные трещины усталости. При этом определялись напряжения в зоне второй точки поперечного сечения образца (Приложение 3). В процессе испытания определялось число циклов до появления контактных повреждений, поперечных трещин и до излома образца. С уменьшением нагрузки на подвеску машины (или изгибающих напряжений во второй точке сечения образца) число циклов до излома образцов возрастает. Построена обычная усталостная кривая без определения предела выносливости (Приложение 7). Из графика видно, что при нагрузке на подвеску машины 0,2 кН (20 кГ) наиболее быстро образуются поперечные трещины усталости в образцах. При этой нагрузке и проводились сравнительные испытания образцов с разной твердостью, структурой, легированием, содержанием углерода для установления оптимальных характеристик рельсовой стали, наиболее стойкой поперечным трещинам усталости и к контактным повреждениям.

Воспроизводимые контактные повреждения на образцах имеют большое сходство с контактными повреждениями рельсов. Представленные вскрытые продольные трещины на рельсах (Приложение 8) имеют такой же вид, как и на образцах (Приложение 9), что свидетельствует о высоком качестве моделирования этих повреждений.

Из приведенного материала видно, что с помощью предложенной машины в сравнении с прототипом одновременно создаются на образцах переменные контактные напряжения на поверхности катания образцов в условиях краевого эффекта и знакопеременные напряжения изгиба в сечениях образцов между опорами обоймы.

Только при совместном действии переменных контактных напряжений и знакопеременных напряжений изгиба возникают на образцах поперечные трещины усталости.

При исключении одно их этих факторов поперечные трещины не образуются.

Например, при исключении знакопеременных напряжений изгиба (испытания образцов проводились на сплошном жестком основании) поперечные трещины не возникали: появлялись только контактные повреждения.

При исключении переменных контактных напряжений в точке 4 сечения образца (Приложение 3) или в кромке подошвы рельса, где возникают знакопеременные напряжения изгиба, поперечные трещины также не образуются.

Предложенная машина позволяет путем испытания образцов в короткие сроки установить оптимальные характеристики рельсовой стали, при которой наблюдается высокая стойкость контактным повреждениям и поперечным трещинам усталости.

Установлено влияние структуры, твердости, лигирования и др. на возникновение упомянутых повреждений.

По перспективным результатам испытаний образцов на машине изготовлена опытная партия рельсов, проводятся испытания в условиях эксплуатации.

Литература.

1. Классификация дефектов и повреждений рельсов РТМ 32/ЦП-1-75; каталог дефектов и повреждений рельсов РТМ 32/ЦП-2-75; признаки дефектных и остродефектных рельсов РТМ 32/ЦП-3-75, Транспорт 1977.

2. Государственный стандарт союза СССР. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. ГОСТ 25.502-79. М. с.32.

3. Бернштейн М. Л. Займовский В.А. Механические свойства металлов. М. Металлургия, 1979, с. 495.

4. Государственный стандарт союза СССР. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы испытания на контактную усталость. ГОСТ 25.501-78. М. с. 94.

5. А.И. Кармазин. Машина для испытания цилиндрических образцов на контактную усталость. Авторское свидетельство N 109701 с приоритетом от 8 февраля 1956.

Сущность изобретения: машина содержит станину 4, установленные на ней стойки и корпус 1. В корпусе размещен шпиндель 2, передающий вращение посредством редуктора на счетчик оборотов 3. Машина содержит также электромотор 5, установленный на отдельной тумбе 6 и соединенный со шпинделем 2 упругой муфтой 7. На конусе шпинделя 2 закреплена конусная втулка, на которой в свою очередь установлена обойма с восемью опорами, предназначенными для закрепления двух кольцевых образцов с двух ее сторон. 4 ил.

Машина для испытания материалов на знакопеременный изгиб и переменные контактные напряжения, содержащая станину, укрепленные на ней стойки и корпус, установленный в нем шпиндель передает вращение с помощью редуктора на счетчик оборотов, электромотор, установленный на отдельной тумбе, соединен со шпинделем упругой муфтой, образец цилиндрической формы крепится конусной частью на конусе шпинделя машины и обкатывается четырьмя нажимными роликами, соединенными в цепь, которая одним концом крепится на кронштейнах стоек, а второй конец соединен с одним плечом двуплечего рычага, на другом плече рычага подвешивают грузы, отличающаяся тем, что машина снабжена нажимными роликами с цилиндрической и конической поверхностями катания, установленными поочередно, держатель образцов с восемью опорами предназначен для установки двух кольцевых образцов с двух сторон от держателя, которые с двух сторон укрепляются двумя фасонными гайками на конусной втулке, укрепленной конусной частью на конусе шпинделя машины.