Спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс “reprint”

Реферат: Спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, під час якого зразок фрагмент реального залізничного колеса із збереженням параметрів його робочих поверхонь циклічно зворотно-поступально перекочують по зразку-фрагменту рейки при заданому значенні навантаження і реєструють параметри навантаження, деформування та ознаки руйнування, за якими визначають стан контактної зони. Попередньо у ділянці контакту зразків - фрагменту реального залізничного колеса і фрагменту реальної рейки розміщують лист пластичного матеріалу та при визначеному постійному значенні навантаження здійснюють одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса по реальному зразкуфрагменту рейки, лист пластичного матеріалу виймають із зони контакту, за відбитками на листі пластичного матеріалу визначають вихідні геометричні параметри ділянок деформування колеса і/або рейки в зоні контакту. Потім циклічно зворотно-поступально перекочують зразокфрагмент реального залізничного колеса по зразку-фрагменту реальної рейки і через визначену кількість циклів розміщують у ділянці контакту новий лист пластичного матеріалу та при визначеному постійному значенні навантаження здійснюють повторне одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса по реальному зразкуфрагменту рейки, виймають із зони контакту лист пластичного матеріалу, порівнюють відбитки на листах, отримані при першому і при повторному перекочуванні зразків, за якими прогнозують стан контактної зони через визначену кількість циклів. UA 110466 U (12) UA 110466 U UA 110466 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Пропонована корисна модель належить до галузі механічних досліджень деталей машин, а саме до способу випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, призначеного для досліджування взаємодії натурних залізничних рейок і коліс при основних реальних параметрах їх експлуатації з можливістю прогнозування ресурсу та обґрунтовування заходів по вдосконаленню рухомого складу залізниці та режимів його експлуатації. Найбільш близьким до пропонованого за технічною суттю та за кількістю суттєвих ознак є спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, під час якого зразокфрагмент реального залізничного колеса із збереженням параметрів його робочих поверхонь циклічно зворотно-поступально перекочують по зразку-фрагменту рейки при заданому значенні навантаження і реєструють параметри навантаження, деформування та ознаки руйнування, за якими визначають стан контактної зони [Патент на корисну модель № 93377 Україна, МПК (2014.01) G01N 33/20 (2006.01); G01N 3/56 (2006.01) G01M 7/00, Опубліковано: 25.09.2014, бюл. № 18]. Згаданий спосіб є недостатньо достовірним, оскільки для визначення стану контактної зони в процесі випробувань необхідно реєструвати зміну її геометричних параметрів, виявляти виникнення та розвиток поверхневих дефектів й фіксувати зміну висоти рельєфу поверхонь взаємодії. Для здійснення таких дій після певної кількості циклів навантаження виконують демонтаж контактної зони установки та її повторний монтаж для проведення подальшого навантаження фрагментів-зразків колеса та рейки, що призводить до порушення однаковості системи сил навантаження, які діють в зоні контакту, до і після повторного монтажу, чим порушуються умови ідентичності проведення випробувань протягом всього їх терміну. В основу пропонованої корисної моделі поставлена задача створення такого способу випробування на контактну взаємодію залізничних коліс та рейок, який би був більш достовірним. Поставлена задача вирішується за рахунок створення умов для вимірювання, фіксації та реєстрації параметрів випробувань без демонтажу та повторного монтажу контактної зони установки - фрагментів зразків колеса та рейки. Пропонований, як і відомий спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, під час якого зразок-фрагмент реального залізничного колеса із збереженням параметрів його робочих поверхонь циклічно зворотно-поступально перекочують по зразку-фрагменту рейки при заданому значенні навантаження і реєструють параметри навантаження, деформування та ознаки руйнування, за якими визначають стан контактної зони, а, відповідно до пропонованої корисної моделі, попередньо у ділянці контакту зразків - фрагменту реального залізничного колеса і фрагменту реальної рейки розміщують лист з пластичного матеріалу та при визначеному постійному значенні навантаження здійснюють одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса по реальному зразку-фрагменту рейки, знімають навантаження із зразка-колеса і виймають лист пластичного матеріалу із зони контакту, за відбитками на листі пластичного матеріалу визначають вихідні геометричні параметри ділянок деформування колеса і/або рейки в зоні контакту, потім циклічно зворотнопоступально перекочують зразок-фрагмент реального залізничного колеса по зразку-фрагменту реальної рейки і через визначену кількість циклів розміщують у ділянці контакту новий лист пластичного матеріалу та при визначеному постійному значенні навантаження здійснюють повторне одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса по реальному зразку-фрагменту рейки, виймають із зони контакту лист пластичного матеріалу, порівнюють відбитки на листах, отримані при першому і при повторному перекочуванні зразків, за якими прогнозують стан контактної зони через визначену кількість циклів. Особливістю пропонованого способу є і те, що у ділянці контакту зразків - фрагменту реального залізничного колеса і фрагменту реальної рейки для першого і для повторного перекочуванні зразків розміщують однакові листи пластичного текстурованого матеріалу. Особливістю пропонованого способу є і те, що у ділянці контакту зразків - фрагменту реального залізничного колеса і фрагменту реальної рейки для першого і для повторного перекочування зразків розміщують однакові листи пластичного текстурованого матеріалу, вирізані з одного листа матеріалу, а напрямки текстури обох аркушів встановлюють під однаковим кутом до напрямку перекочування зразків. Особливістю пропонованого способу є і те, що значення постійного рівня навантаження P , при якому здійснюють одноразове перекочування, визначають, використовуючи модифіковану формулу Герца для визначення найбільшого напруження при контакті циліндра з площиною [Писаренко Г.С, Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов / Отв. ред. Писаренко Г.С. - 2-е изд., перераб. и доп. - К.: Наук. думка, 1988. - 736 с.], з виразу: 2 2 к 0,2  P  к в . (1) 1 UA 110466 U 2 [E2 (1  1 )  E1(1  2 )]R 2 0,3183E1E2 Тут , (2) 0,2, в, E2, 2 - умовна границя плинності, границя міцності, модуль пружності та де к коефіцієнт Пуассона пластичного матеріалу відповідно; E1, 1 - модуль пружності та коефіцієнт Пуассона матеріалу рейки або фрагменту колеса 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 відповідно; l - довжина контакту; R - радіус колеса або головки рейки. Запропонований спосіб експериментального дослідження контактної взаємодії залізничних рейок і коліс полягає в наступному. Із натуральної рейки вирізають відрізок (зразок-рейка, далі рейка), довжина якого більша за характерну відстань між шпалами. З колеса або з ободу колеса, вирізають фрагмент (зразок-колесо, далі - колесо) із збереженням робочих поверхонь, довжина дуги котрого більша за 10 розмірів контактних зон при максимальному навантаженні. Рейку розміщують на опорах (наприклад циліндричних), відстань між якими (прогін) є регульованим. В центрі прогону розміщують колесо, площина кругу якого утворює регульований кут з поздовжньою віссю рейки. Величину цього кута обирають з урахуванням реального положення колеса на прямолінійній чи криволінійній ділянках шляху. У ділянці контакту зразків фрагменту реального залізничного колеса і фрагменту реальної рейки розміщують лист з пластичного матеріалу. Колесо притискають до рейки постійним навантаженням, величину якого визначають, використовуючи вираз (1), і здійснюють одноразове перекочування зразкафрагмента реального залізничного колеса по реальному зразку-фрагменту рейки, знімають навантаження на зразок-колесо і виймають лист пластичного матеріалу із зони контакту. За відбитками на листі пластичного матеріалу визначають вихідні геометричні параметри ділянок деформування колеса і/або рейки в зоні контакту. Потім циклічно зворотно-поступально перекочують зразок-фрагмент реального залізничного колеса по зразку-фрагменту реальної рейки і через визначену кількість циклів розміщують у ділянці контакту новий лист пластичного матеріалу та при визначеному за допомогою виразу (1) постійному значенні навантаження, що дорівнює значенню постійного навантаження при першому перекочуванні, здійснюють повторне одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса по реальному зразку-фрагменту рейки, виймають із зони контакту лист пластичного матеріалу, порівнюють відбитки на листах, отримані при першому і при повторному перекочуванні зразків, за якими прогнозують стан контактної зони через визначену кількість циклів. Суть пропонованого способу пояснюється схематичними кресленнями. На Фіг. 1 показана установка, що дозволяє реалізувати пропонований спосіб. На Фіг. 2 - вузол установки з механізмом регульованого взаємного переміщення ковзання зразків - фрагмента реального залізничного колеса та зразка-фрагмента рейки. Установка, що дозволяє реалізувати пропонований спосіб, складається із станини, що включає основу 1 та стійки 2 і 3. На основі 1 розміщений натискний брус 4 і захват 5 для зразкафрагмента рейки - з осьовими упорами 6 і пересувними циліндричними опорами 7, на яких встановлений зразок-рейка 8. Зразок-колесо 9 закріплений на секторі 10 - деталі, через яку здійснюється навантаження на зразок-колесо 9 і його перекочування по зразку-рейці 8. Сектор 10 горизонтальним шарніром з'єднаний з рамкою 11, яка, в свою чергу, вертикальним шарніром з'єднана з важелем 12. Завдяки вертикальному шарнірові рамка 11 разом з сектором 10 і зразком-колесом 9 можуть бути зафіксовані під певним кутом до поздовжньої осі важеля 12. Положення важеля 12 встановлюють за допомогою шкали 13 і ноніуса 14. Така установка дозволяє імітувати проходження колесом криволінійних ділянок колії. Один кінець важеля 12 шарнірно з'єднаний шатуном 15, що також шарнірно з'єднаний зі стійкою 2. На іншому довгому плечі важіль (співвідношення плечей складає 1:6) через пружний елемент 16 з'єднаний з пневмоциліндром 17, який живиться стисненим повітрям від компресора 18 із вбудованим ресивером /не показано/. Зусилля від пневмоциліндра 17, що контролюється по деформації пружного елемента 16, протягом експерименту, як правило не змінюється, і в даному виконанні машини може досягати 2 тон, яке на зразку-рейці 8 трансформується у 12 тон, що відповідає максимальним реальним значенням навантаження на ділянці контакту рейки і колеса. Для здійснення циклічного переміщення колеса по рейці в заданому режимі використаний корбовошатунний механізм, забезпечений електроприводом 19, розташованим на стійці 3. Корба 20 з'єднана через шатун 21 і пружний елемент 22 з важелем 12 для здійснення зворотнопоступального руху при одночасній дії навантаження від пневмоциліндра 17. На корбі ексцентрично закріплений підшипник 23, який при проходженні верхньої частини своєї траєкторії взаємодіє із змінним упором 24 важеля 12 і піднімає його, забезпечуючи 2 UA 110466 U 5 10 15 20 розвантаження ділянки контактування зразків 8 і 9 на час відповідної частини циклу. Якщо упор 24 зняти, то дія навантаження на ділянку контактування зразків 8 і 9 буде відбуватись при обох напрямках циклу. При зменшенні розміру упору 24 можливі варіанти з розвантаженням під час меншої частини півциклу. Для відтворення реальних процесів на контакті зразків 8 і 9, пов'язаних із тертям ковзання, що супроводжує перекочування колеса по рейці, установка забезпечена механізмом 25. Механізм 25 нерухомо прикріплений до основи 1 і включає ролик 26, встановлений у направляючих 27, виконаних у нижній частині сектора 10, призначених для встановлення ролика 26 на визначеній відстані від ділянки контакту зразків 8 і 9. Окрім сказаного у ділянці контакту зразків - фрагменту реального залізничного колеса 9 і фрагменту реальної рейки 8 розміщений лист 28 з пластичного текстурованого матеріалу - алюмінієвого сплаву АМцМ. Установка також забезпечена системою управління, що включає блок управління, як такий використано персональний комп'ютер з відповідним програмним статком та датчики деформації і навантаження, що встановлені на відповідних захватах /не показано/. В установці є пристрої для охолодження та нагрівання ділянки контакту зразків-фрагментів рейки 8 та колеса 9 (від -50 °C до +50 °C), створення вологості (від 20 % до 100 %) та дії на ділянку 2 контакту зразків 8 і 9 піску та пилу (до 5 г на см ), що дозволяє відтворювати реальні параметри чинників експлуатації залізничної колії /не показано/. Приклад. Попередньо вибирали довжину зразка-фрагмента рейки 8 з умови, щоб вона була рівною або більшою за відстань між шпалами. Виготовляли натискний ролик у вигляді зразка фрагмента реального залізничного колеса 9 із збереженням параметрів його робочих поверхонь, довжина дуги L , якого відповідала виразу L  10K , де K - розмір контактної зони при максимальному навантаженні. Перед початком навантаження на установці зразків-фрагментів колеса 9 та рейки 8 між ними розмістили лист 28 з алюмінієвого сплаву АМцМ (0,  50 МПа, в  130 МПа, E  0,7  105 МПа,   0,3, HB  280 МПа) 25 товщиною 2 мм. Лист 28 розміщували у зоні контакту таким чином, що напрямок його прокатки співпадав з напрямком перекочування. Силу статичного навантаження визначали за умовою (1) для контакту зі сторони 2 5 30 35 колеса (E  2,1 10 МПа,   0,28) . Її значення склало 1500 Н, при цьому к  0,5 МПа  H за співвідношенням (2). Здійснювали одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса 9 по реальному зразку-фрагменту рейки 8, потім знімали навантаження і виймали лист 28 пластичного матеріалу із зони контакту. Відбиток на листі 28 після однократного перекочування по довжині 70 мм мав форму прямокутника шириною 19,5-20,0 мм на довжині 70 мм. За отриманим відбитком на листі 28 визначали вихідні геометричні параметри ділянок деформування колеса 9 і рейки 8 в зоні контакту. Здійснювали циклічне зворотно-поступальне перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса 9 по 4 реальному зразку-фрагменту рейки 8 на базі 10 циклів при навантаженні в зоні контакту 5  104H . Після циклічного зворотно-поступального перекочування між зразками-фрагментами 8 і 40 45 9 розміщували аналогічно попередньому досліду, за напрямком текстури, новий лист 28 алюмінієвого сплаву АМцМ, який також навантажили навантаженням у 1500 Η і здійснювали повторне одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса 9 по реальному зразку-фрагменту рейки 8, потім знімали навантаження і виймали лист 28 пластичного матеріалу із зони контакту. Навантаження утворило на пластині прямокутний відбиток розміром 19,5-21,0 мм на 70 мм. Порівнювали відбитки на аркушах 27 і визначали геометричні характеристики і реальні параметри чинників експлуатації залізничної колії. Пропонований спосіб, за рахунок створення умов для вимірювання, фіксації та реєстрації параметрів випробувань дозволив без обов'язкового для способу-найближчого аналога демонтажу та повторного монтажу контактної зони установки - фрагментів зразків колеса 9 та рейки 8 отримати більш достовірні дані для прогнозування ресурсу та надання обґрунтованих пропозицій по вдосконаленню режимів експлуатації рухомого складу залізниці. 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 1. Спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, під час якого зразок фрагмент реального залізничного колеса із збереженням параметрів його робочих поверхонь циклічно зворотно-поступально перекочують по зразку-фрагменту рейки при заданому значенні навантаження і реєструють параметри навантаження, деформування та ознаки руйнування, за якими визначають стан контактної зони, який відрізняється тим, що попередньо у ділянці контакту зразків - фрагменту реального залізничного колеса і фрагменту реальної рейки розміщують лист пластичного матеріалу та при визначеному постійному значенні навантаження 3 UA 110466 U 5 10 15 здійснюють одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса по реальному зразку-фрагменту рейки, лист пластичного матеріалу виймають із зони контакту, за відбитками на листі пластичного матеріалу визначають вихідні геометричні параметри ділянок деформування колеса і/або рейки в зоні контакту, потім циклічно зворотно-поступально перекочують зразок-фрагмент реального залізничного колеса по зразку-фрагменту реальної рейки і через визначену кількість циклів розміщують у ділянці контакту новий лист пластичного матеріалу та при визначеному постійному значенні навантаження здійснюють повторне одноразове перекочування зразка-фрагмента реального залізничного колеса по реальному зразку-фрагменту рейки, виймають із зони контакту лист пластичного матеріалу, порівнюють відбитки на листах, отримані при першому і при повторному перекочуванні зразків, за якими прогнозують стан контактної зони через визначену кількість циклів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у ділянці контакту зразків - фрагменту реального залізничного колеса і фрагменту реальної рейки для першого і для повторного перекочуванні зразків розміщують однакові листи пластичного текстурованого матеріалу. 3. Спосіб за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що у ділянці контакту зразків - фрагменту реального залізничного колеса і фрагменту реальної рейки для першого і для повторного перекочування зразків розміщують однакові листи пластичного текстурованого матеріалу, вирізані з одного листа матеріалу, а напрямки текстури обох листів встановлюють під однаковим кутом до напрямку перекочування зразків. 4 UA 110466 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5