Способ правки профилей Советский патент 1986 года по МПК B21D3/12 

1232

Изобретение относится к окончательной обработке профилей, например железнодорожных рельсов, а именно к релаксации напряжений и к правке рельсов, изготовленных из сталей j обычных марок, подвергнутых термообработке, или из особо прочных легированных сталей.

Целью изобретения является обеспечения правки железнодорожного рель- 10 са, изготовленного из стали с сопротивлениями, превышающими 1000 Н/мм, и с сопротивлениями менее 1000 Н/мм.

Способ предусматривает воздействие на стальной рельс растягивающего 15 напряжения, превышающего предел упругости стали до величины напряжения, соответствуюш;ий общей пластической деформации всего рельса.

Благодаря полной пластической де- 20 формации рельса вследствие растяжения не создается остаточных напряжений при вьшолнении правки и снижаются остаточные напряжения, имеющие место до правки.25

Для сталей известных качеств и марок, подвергнутых или нет термической обработке получают величины продольных остаточных напряжений.:менее +100 Н/мм для марок рельсовой стали зо прочностью R /1000 Н/мм и менее +50 Н/мм для марок рельсовой стали прочностью R 1000 Н/мм, начиная с момента, когда пластическая деформация вследствие растяжения рельса соответствует остаточному удлинению порядка 0,27%.

Остаточное удлинение рельса 0,3% после ослабления усилия разряжения гарантирует получение приведенных выше результатов. Снижение внутренних остаточных напряжений рельса повышает вязкость и сопротивление усталостным напряжениям.

Остаточные напряжения не могут , быть уменьшены значительным образом, начиная с момента, когда вся совокупность материала, образующего рельс, начинает претерпевать общую пластификацию. Поэтому не следует подвергать рельс действию усилий растяжения, соответствуюш 1х величинам остаточного удлинения, превьш1аю- щим 1,5%.

На фиг. 1 представлен рельс, попе- речное сечение; на фиг. 2 - рельс, выходящий из охладителя; на фиг.З - иаграмма, показьшакнцая кривую напря125- 2

жений, получаемых в зависимости от созданных удлинений; на фиг.. 4 - схема снижения остаточных напряжений в различных составляющих частях рельса в зависимости от степени остаточного удлинения для рельса, выходящего из охладителя; на фиг. 5 - диаграмма, показьшающая результаты эмпирического сравнения состояния остаточных напряжений вследствие надпилов шейки и отклонения головки для концов невыправленных рельсов, рельсов, выплавленных на роликовых правильных машинах, и рельсов, вьтрав- ленных по предлагаемому способу; на фиг. 6 - сравнение кривых растрескивания от распространения трещины во время испытаний на знакопеременный изгиб, проведенных на рельсах из особо прочной легированной стали (естественно высокоуглеродистой стали UIC, R 1100 Н/мм2; на фиг. 7 - поверхности разрьша четырех образцов рельса из особо прочной стали (R -; 1080 Н/мм), соответственно выправ ленных с помощью роликов, выправленных растяжением, невьтравленных (сырой материал из охладителя) и вьшрав ленных с помощью роликов с последующим растяжением.

Рельс 1, выходящий из охладителя, имеет форму левой кривой. Следователно длина образующих волокон головки 2, шейки 3 и подошвы 4 рельса 1 (волкон СС , ДА и РР ) неодинаковая. Сущность изобретения состоит в том, что рельс на каждом из его концов подвергают воздействию усилия растяжения, которое выравнивает длину волокон под действием напряжения (6 ) превьпианщего предел упругости на 0,2% (RP 0,2}. Степень удлинения, необходимая для этой операции, должна быть для наименее вытянутого волокна Bbmie степени удлинения, соответству- ющей изгибу начала пластификации стали. Тогда к выправляемому рельсу прилагают усилие растяжения, превьщ1аю- щее предел упругости, таким образом, чтобы получить после ослабления усилия остаточное удлинение по меньшей мере 0,27%. Это небольшое остаточное удлинение позволяет получить прямые рельсы с меньшим повреждение материала, чем при правке с помощью роликов. Поскольку кривизна рельсов не всегда одинакова по длине заготовок, в отдельных местах могут иметь место радиусы кривизны, меньшие общего ра312

диуса. Остаточное удлинение порядка нескольких десятых процента позволяет устранить наиболее короткие и боле.е длинные складки. Существование внутренних напряжений вследствие охлаж- дения обусловливает различную длину волокон в рельсе. Правка рельса пластическим удлинением всех волокон и предпочтительным пластическим удлинением наиболее .коротких волокон приводит к релаксации внутренних остаточных напряжений стали. На фиг. 4 приведен пример развития остаточных продольных напряжений в зависимости от степени остаточного удлинения для рельса из обычно применяемой марки стали, где, на абсциссе - остаточное удлинение , а на одинате - продольное остаточное напряжение S (- для сжатия, + для растяжения). Кривая 5 характеризует остаточное напряжение подошвы, а кривая 6 - остаточное напряжение головки рельса. Остаточные напряжения остаются постоянными и высокими до тех пор, пока усилия растяжения, прилагаеьшш к рельсу, располагаются в области упругости стали ( 0,185%): остаточные напряжения равномерно уменьшаются за пределами области упругости, достигая постоян- ных минимальных величин, начиная с остаточного удлинения порядка 0,27%.

Область остаточного удлинения, заключенная между пределом упругости ( 0,2%) и минимальными значениями остаточных напряжений (в данном слу- чае Н/мм для (5йО,27%), является областью погрешности. Начиная с минимального значения остаточного напряжения (j;0,27% или 0,3%), увеличение остаточного удлинения не дает положительных результатов. Если это не повышение предела упругости вследствие холодной деформации, то повышение предела упругости может быть произведено по желанию: например, для естественно высокоуглеродистой стали марки А нормы UIC или для марки AREA повьппение предела упругости составляет порядка 100 Н/мм для дополнитель ного остаточного удлинения 1%, т.е. степени остаточного удлинения 0,3% в данном случае достаточно для снятия остаточных напряжений или для их уменьшения,в отношении порядка 10:1,

Результаты измерений, полученные методом резки, подтверждаемые методами отверждения и сверла, остаточных

5 10 t5 20 5 Q

5

5

0

5

125.4

напряжений рельсов, выправленных, по известному (с помощью роликов) и предлагаемому способам соответственно 073 В 10 и 073 D 09 приведены в табл. 1; рельсов 236 D 23 - в табл. 2, реаьсов 150 С 13 - в табл.3.

По сравнению с известным способом правки рельсов предлагаемый способ при степени остаточного удлинения 0,3% - 1,0% обеспечивает снижение уровня остаточных напряжений по меньшей мере в 5-10 раз и разброса величин остаточных напряжений в 5 раз.

Релаксация внутренних остаточных напряжений такова, что нет существенной разницы между уровнем, напряжений рельсов, выправленных растяжением, и уровнем напряжений материалов с ослабленными напряжениями,служащих эталонами при эталонировании тензометрических датчиков. Например, при способе правки с помощью роликов напряжения сжатия достаточно большие как в продольном, так и в поперечном направлениях в шейке рельса и в местах соединений, причем эти напряжения уравновешиваются, особенно в продольном направлении, сильными напряжениями растяжения в головке и подошве рельса. При способе правки растяжением остаточные напряжения слабее и намного более равномерны.

Эмпирическая проверка релаксации внутренних напряжений, возникших вследствие правки р-астяжением, заключается в отделении головки рельса от остального профиля и в измерении его отклонения f на стыке по мере продвижения вперед линии пропила. Результаты испытаний, проведенных на рельсе UIC 60 NDB, представле:4ы на диаграмме фиг. 5, абсцисса которой указывает длину L пропила, а ордината - отклонение f головки с пропилом относительно остальной части рельса на его стыке.

Кривая 7 показывает, что рельс UIC 60 NDB, выправленный с помощью роликов, имеет отклонение головки f 2 мм при длине пропила L 500 мм, а кривая 8 - отклонение f невыправленного рельса изменякщиеся от О до 0,8 мм. Кривые 9 и 10 показывают,что рельсы, выправленные растяжением при остаточном удлинении 0,3-1%, имеют отклонение f соответственно 0,2 и -0,1 мм (небольшое перекрытие) при длине пропила L 500 мм. Найдено отношение величин f порядка 1:10 в пользу предлагаемого способа. Минимальна степень остаточного удлинения порядка 0,3% необходима для получе- НИН максимальной релаксации внутренних напряжений: степень у;т;линения больше 1,5% не дает дополнительных преимуществ.

Испытания на усталость состоят в том, что отрезок рельса с надпилом на головке подвергают знакопеременному изгибу на базе 1,400 м при частоте 10 Гц под нагрузкой порядка 14 т в период инициирования растрес- кивания и 9 тн в период распространения растрескивания, прилагаемой к головке в двух отстоящих одна от другой на 150 мм точках, расположенных симметрично по обе стороны цент- рального поперечного пропила.

Распространение усталостной трещины, начиная от пропила регистрируеся с помощью тензометрических датчик с использованием метода, называемого электрическим и основывающегося на изменении сопротивления рельса в процессе развития трещины. Путем изменения амплитуды прилагаемых напряжений производят ряд отметок по числу дан- ных суммарных циклов и строят кривую показьшающую глубину трещины Р в зависимости от числа N осуществленных циклов.

В первом примере испытания проведны на двух отрезках рельса UIC 60 марки Б из естественно высокоуглеродистой стали, полученных из одной и той же заготовки, один из которых вьтравлен с помощью роликов, а дру- гой - растяжением.

В табл. 4 показано, что число циклов, необходимых для инициирования растрескивания, и число циклов, необходимых для его распространения, при равных условиях испытаний, значительно вьппе при правке растяжением, что свидетельствует о лучшей вязкос- т и и, следовательно, повьшенной надежное ти;

Из фиг. 6; следует, что сопротивление усталостным напряжениям рельса, вьшравленного растяжением (кривая 12), выше такового рельса, выправлен-55 ного с помол(ью роликов (кривая 11) отношение поверхностей усталости при правке растяжением и роликами составj

s 0

5 о

- д

5

0

5

ляет 1,55. Кривые 11 и 12 отображают данные табл. 4 ().

Во втором примере указанные испытания проведены на четырех отрезках рельса 136RE из легированной или хромкремневанадиевой стали с сопротивлением разрьшу 1080 Н/мм , полученных из одной и той же заготовки: выправленном роликами, выправленном растяжением, вьтравленном (сырой материал из охладителя), выправленном роликами с последующим растяжением.

В табл. 5 показано повьшение числа циклов инициирования и числа циклов распространения при правке растяжением сравнительно с правкой роликами.

Кривые 13-16 на фиг. 7 отображают данные табл. 5 (р f/N/) для рельсов из стали 136 RE, вьшравленных роликами (кривая 13), невыправленных (кривая 14), выправленных растяжением (кривая 15)и вьтравленных роликами с последующей правкой растжением (кривая 16). Из табл. 5 и кривых 13-16 на фиг. 7 следует, что сопротивление рельса распространению растрескивания улучшается, когда рельс,выправленный роликами, подвергают правке расияжением с остаточным удлинением по предлагаемому способу для релаксации остаточных напряжений.

Улучшение стойкости рельсов к скорости растрескивания связано со снижением остаточных напряжений и, в частности, с квази-исчезновением остаточных напряжений растяжения,возникающих в головке рельса в случае правки роликами. Снижение остаточ- ньЕХ напряжений позволяет удовлетворить потребности железнодорожных сетей, в частности испытывающих большие нагрузки (например, шахтных путей) . Правка растяжением значительно повьш1ает сопротивление рельсов усталостным напряжением по сравнению с правкой на роликовых машинах.

Правка растяжением обеспечивает, кроме того, повьш ение предела упругости металла в противоположность способу правки роликами, который имеет склонность снижать этот предел. Это преимущество имеет особую ценность для головки рельса, поскольку более высокий предел упругости позволяет создавать колеса с высокой

нагрузкой на полотно качения рельса. Повьшение предела упругости для марок стали типа UIC 90 А или В, AREA и т.п. составляет порядка 100 Н/мм при удлинении 1%. Это свойство наблюдается для всех марок стали,включая особо прочные легированные или обработанные стали. Расхождение предела упругости между способом правки роликами и способом правки растяжением составляет 20%.

Повышение предела упругости происходит без ухудшения критериев пластичности (распределяемое удлинение и сужение) и вязкости (К , показатель критической интенсивности напряжения) .

Произведенные измерения остаточного удлинения на ряде баз с отмеченными отрезками по длине рельса показали, что частичные остаточные напряжения, замеренные на каждой из баз, являются постоянными и равными общему остаточному удлинению, сообщенному

Основное

напряжение

вертикальное-150 -i-no 180 -40

2321258

рельсу. Не отмечается эффектов локального сужения по длине рельсов. Потеря высоты равномерна по всем длине рельсов, так же, как и потеря 5 ширины подошвы. Наблюдаемые незначительные изменения размеров предварительно компенсируются,как и в случае правки роликами, надлежащей калибровкой прокатным станом, что позво10 .ляет соблюдать допуски на размеры.

Изобретение предлагает рельсы, которые после правки имеют низкое остаточное напряжение, а именно: меньше +50 Н/мм (+50 Н/мм при растяже15 нии; - 50 Н/мм при сжатии) для марок рельсовой стали (подвергнутых термообработке или нет) с сопротивлением растяжению R 61000 меньше +100 Н/мм (+100 Н/мм при

20 растяжении; -100 Н/мм при сжатии) для .марок рельсовой стали (подвергнутых термообработке или нет) с сопротивлением растяжению R 7 1000 Н/мм2.

Таблица

65 50

-10 -10

+30 +20

АО 30

иниции

распроявного

лубина

350.000

500.000

750.000 1050.000

25

28

I Число циклов инициирования

Число циклов рас- пространения до явного разрьюа

Критическая глубина растрескивания, мм.

400.000 420.000 850.000 1.150.000

950.000 1.500.000 1.250.000 1.400.000

26 (полуломкая)

27

26

28

500.000

142

140

25

28

112

27

26

28

фиг.2

///мм

,2

tpuf.3

%

«/««

f«

/ I

0..г

а.з

а

лГ

Т-Г

/Off гвв ш 4off -Q.,

Фие5

р.нм 30

20

11

ГО

rooo

ffiut. б

ж fff

р,мм 30

20

ГО

rooo

2000

Редактор И. Рыбченко

Составитель Н. Чернилевская

Техред В.Кадар . Корректор М. Шароши

Заказ 2664/60Тираж 783Подписное

ВНИИПИ Государственною комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раусшкая наб.,д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. 7