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        地鐵扣件DI彈條安裝受力分析及工藝優(yōu)化改進(jìn)研究

        2019-03-20 12:59:56陳明明趙才友
        關(guān)鍵詞:彈條扣件淬火

        陳明明,盧 俊,余 鴻,王 平,趙才友

        (1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031;3.中鐵隆昌鐵路器材有限公司,四川內(nèi)江 642150)

        扣件系統(tǒng)在保證軌道彈性和幾何尺寸方面起著重要作用,彈條是扣件系統(tǒng)的一個重要組成部分,為扣件系統(tǒng)提供必要的扣壓力[1-5]。研究發(fā)現(xiàn),國內(nèi)多個城市地鐵線路存在著彈條扣壓力不足、彈條斷裂、彈條銹蝕等病害,這些病害對地鐵行車安全、扣件系統(tǒng)的使用壽命都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[6-8]。

        目前,國內(nèi)外學(xué)者針對彈條受力特性進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[9]應(yīng)用非線性接觸理論模擬彈條與預(yù)埋鐵座的接觸,研究彈條的變形和應(yīng)力,并與只考慮彈條模型的傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)[10]論證了適于彈條強(qiáng)度校核的理論為畸變能強(qiáng)度理論,提出了彈條優(yōu)化設(shè)計的衡量指標(biāo)與優(yōu)化設(shè)計方法。文獻(xiàn)[11]應(yīng)用有限元法,研究了Ⅲ型彈條不同安裝狀態(tài)和彈程對其扣壓力和應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)[12]基于彈條靜動態(tài)受力和頻譜特性,對扣件系統(tǒng)疲勞傷損機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究,揭示了彈條的斷裂原因,并預(yù)測彈條的疲勞壽命,最后提出了彈條優(yōu)化設(shè)計方案。文獻(xiàn)[13]研究了彈條在安裝過程中的受力及列車動荷載作用下的振動特性,并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)鋼軌波磨明顯加劇了扣件彈條的振動,從而會加速彈條的疲勞損傷。總之,以往的研究主要從彈條的靜動態(tài)受力特性方面提出改進(jìn)措施,對彈條生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進(jìn)卻鮮見相關(guān)文獻(xiàn)報道。為此,以地鐵扣件中常用的DI彈條為研究對象,通過建立DI彈條有限元模型分析彈條扣壓力不足及彈條斷裂的原因,并從生產(chǎn)工藝角度提出彈條的優(yōu)化改進(jìn)措施,為DI彈條的生產(chǎn)、制造和安裝提供技術(shù)參考。

        1 DI彈條主要病害

        (1)扣壓力不足

        扣壓力是軌道保持平順和整體形狀不變的重要保證。鋼軌與地面之間的穩(wěn)固連接依靠穩(wěn)定且合適的扣壓力來保證。當(dāng)彈條本身的扣壓力不能達(dá)到設(shè)計要求時,防爬阻力不夠,彈條無法保證鋼軌之間的連接強(qiáng)度,鋼軌將產(chǎn)生相對于軌枕的縱橫向移動,軌距也會產(chǎn)生變化,滾動過程中要求緊密貼合的火車車輪與鋼軌也將發(fā)生脫離,造成列車脫軌的嚴(yán)重事故[14]。如在長沙地鐵某線車輛段調(diào)研時發(fā)現(xiàn),由于彈條沒有安裝到位,扣壓力不足導(dǎo)致鋼軌在縱向爬行了5 mm,嚴(yán)重威脅行車安全。

        (2)彈條斷裂

        實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)多個城市地鐵線路存在彈條頻繁斷裂現(xiàn)象,且斷裂位置多集中在彈條后拱小圓弧與中肢連接處,如圖1所示。彈條一旦斷裂,將失去對鋼軌的扣緊作用。偶爾有一兩根彈條失效,對軌道安全的影響還不是很大,但是如果相鄰彈條斷裂5根以上,扣件對鋼軌的扣壓作用將喪失。由此將引起鋼軌爬行、軌道位移等一系列連鎖反應(yīng),甚至導(dǎo)致列車脫軌翻車[15]。

        (3)彈條銹蝕

        調(diào)研發(fā)現(xiàn),南京某地鐵線路所用DI彈條出現(xiàn)大規(guī)模、大面積銹蝕現(xiàn)象。彈條銹蝕會破壞彈條的表面處理層,使其失去防銹效果。如不及時對銹蝕處進(jìn)行修補(bǔ),銹蝕點(diǎn)會漸漸擴(kuò)展,嚴(yán)重時會布滿彈條整個表面并進(jìn)一步向內(nèi)部擴(kuò)散,如圖2所示。久而久之,彈條的強(qiáng)度、塑性、韌性等會被削弱,幾何形狀會被破壞,與其他配件之間的磨損也會增加,疲勞壽命也會縮短,甚至?xí)斐闪熊嚸撥壍葹?zāi)難性事故。

        圖1 DI彈條斷裂情況

        圖2 彈條銹蝕

        2 DI彈條病害原因分析

        2.1 DI彈條扣件系統(tǒng)有限元模型

        扣件彈條形狀復(fù)雜,體積小,工作時的邊界條件和受力情況復(fù)雜[11]。為盡可能真實(shí)地模擬扣件系統(tǒng)的受力特征,并考慮到計算成本,根據(jù)扣件系統(tǒng)實(shí)際尺寸建立了簡化后的DTVI2型扣件系統(tǒng),包括DI彈條、鐵墊板。簡化后扣件系統(tǒng)有限元模型及DI彈條各部位的名稱如圖3(a)所示。

        圖3 扣件系統(tǒng)有限元模型

        為比較真實(shí)地模擬彈條工作時的受力特性,在彈條中肢與鐵墊板插孔以及彈條跟端與鐵墊板承臺之間分別設(shè)置一個面-面接觸對,鐵墊板下表面則設(shè)置為全約束。根據(jù)DI彈條圖紙技術(shù)說明,彈條后拱小圓弧內(nèi)側(cè)與鐵墊板端部的距離d應(yīng)保持在8~10 mm,如圖3(b)所示。

        本文取為9 mm。計算時,在彈條趾端下表面施加向上的位移,模擬彈條彈程的變化,以探究彈條扣壓力和最大等效應(yīng)力與彈條彈程的關(guān)系。

        DI彈條材料為60Si2MnA,屈服強(qiáng)度為1 400 MPa,抗拉強(qiáng)度1 600 MPa[16],材料本構(gòu)模型采用理想線性強(qiáng)化彈塑性模型,強(qiáng)度理論采用第四強(qiáng)度理論。彈條及鐵墊板的材料屬性如表1所示。

        表1 材料參數(shù)

        2.2 彈條扣壓力不足、斷裂原因分析

        由上述模型,計算可得彈條扣壓力、最大等效應(yīng)力與彈程關(guān)系,如圖4所示。圖5、圖6分別為彈程為10.5 mm時,彈條豎向位移、等效應(yīng)力的分布情況。

        圖4 扣壓力、最大等效應(yīng)力與彈程關(guān)系

        由圖4、圖5可知,彈條彈程越大,扣壓力也越大,彈條扣壓力通過安裝時彈條的變形來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)生產(chǎn)彈程不足,安裝時彈條基本不需要變形就能裝入鐵座(圖7),從而導(dǎo)致彈條扣壓力不足。由圖6可知,彈程為10.5 mm時,彈條最大等效應(yīng)力值為1 400 MPa,發(fā)生在彈條后拱小圓弧內(nèi)側(cè),此區(qū)域?yàn)閺棗l關(guān)鍵受力區(qū)(圖8)。隨著列車的反復(fù)通過,彈條容易在局部應(yīng)力集中處萌生裂紋,最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致彈條發(fā)生疲勞斷裂[11]。

        圖5 彈條變形云圖

        圖6 彈條等效應(yīng)力云圖

        圖7 彈條產(chǎn)生彈程示意(單位:mm)

        圖8 彈條關(guān)鍵受力區(qū)

        3 DI彈條優(yōu)化改進(jìn)

        3.1 原材料優(yōu)化

        DI彈條采用φ18 mm的60Si2Mn或60Si2MnA鋼棒作為原材料,這兩種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示[16]。由表2可知,P、S元素在60Si2MnA中含量更低,而P、S在鋼中都屬于有害元素。P會使鋼材的冷脆敏感性和回火脆性增加,降低其塑性,破壞鋼的冷彎性能;在S的作用下鋼會產(chǎn)生熱脆性,其延展性和韌性都顯著降低,裂紋在鍛造和軋制時更易形成,耐腐蝕性也會降低[17];此外,60Si2MnA的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能都優(yōu)于60Si2Mn。為驗(yàn)證60Si2MnA彈簧鋼力學(xué)性能的優(yōu)越性,從由這兩種原材料生產(chǎn)的成品中各選取3件進(jìn)行扣壓力和疲勞試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。

        表2 彈簧鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能

        由表3可進(jìn)一步看出,相比60Si2Mn,由60Si2MnA彈簧鋼生產(chǎn)的彈條,其扣壓力從8.17 kN提高至8.79 kN,疲勞次數(shù)從503萬次提高至541萬次,力學(xué)性能更加優(yōu)越。

        因此,宜選用φ18 mm的60Si2MnA鋼棒作為DI彈條的原材料。

        表3 兩種原材料性能試驗(yàn)結(jié)果

        3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

        (1)加強(qiáng)坯料加熱控制

        坯料的加熱溫度和受熱均勻性對成品強(qiáng)度有很大影響。因此,中頻加熱時應(yīng)嚴(yán)格控制坯料溫度,保證坯料受熱均勻[18]。為使棒料受熱均勻,中頻加熱線圈里的玻璃管采用適用于φ18 mm棒料的石英玻璃管,并將生產(chǎn)頻率從13件/min減小到10.5~12件/min,以達(dá)到組織轉(zhuǎn)變更均勻的目的。

        (2)加強(qiáng)淬火溫度控制

        中頻加熱升溫快,坯料可在極短的時間內(nèi)達(dá)到壓型所需溫度,然后進(jìn)行模具壓型和淬火。但從坯料加熱結(jié)束到開始淬火,坯料溫度會大幅下降,而入油溫度又與彈條的淬火硬度密切相關(guān)[19-20]。因此,為探究淬火溫度對彈條淬火硬度的影響,進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)中,壓型溫度為960 ℃,淬火介質(zhì)采用HLN32號機(jī)油,介質(zhì)溫度取為64,66,70 ℃,分析不同淬火溫度對彈條淬火硬度的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

        圖9 淬火溫度對彈條淬火硬度影響

        由圖9可知,淬火溫度對彈條的淬火硬度有較大影響,淬火溫度越低,彈條的淬火硬度越小。因此,生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制淬火時的入油溫度在830 ℃以上。與坯料加熱類似,對自動測溫儀判定不合格的工件,由翻料裝置將其轉(zhuǎn)入廢料區(qū),以避免不合格工件進(jìn)入下一道工序。

        (3)優(yōu)化淬火介質(zhì)

        淬火后的組織和性能受冷卻介質(zhì)的直接影響。對60Si2MnA彈簧鋼來說,冷卻介質(zhì)常選用油,油的運(yùn)動黏度和工作溫度是影響淬火性能的主要指標(biāo)。因此,分別選取4種不同的油作為淬火介質(zhì)進(jìn)行對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

        表4 不同淬火介質(zhì)對比試驗(yàn)結(jié)果

        由表4可知,綜合考慮各種因素,選擇32號機(jī)油作為淬火介質(zhì)較好。對淬火后的彈條進(jìn)行金相檢測,發(fā)現(xiàn)基本上是馬氏體,有少量貝氏體和殘余鐵素體夾雜其中。其中淬火馬氏體為均勻的細(xì)小針狀馬氏體(1級),殘余鐵素體≤2級,貝氏體≤1級,符合標(biāo)準(zhǔn)要求[21]。

        (4)優(yōu)化回火工藝

        將淬火后的樣件送入網(wǎng)帶式連續(xù)回火爐進(jìn)行回火,回火參數(shù)如表5所示,分別取32號機(jī)油和水做為冷卻介質(zhì),最后測量其硬度,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

        表5 回火參數(shù)

        表6 回火硬度測量結(jié)果

        由表6可知,與32號機(jī)油相比,以水作為回火介質(zhì),得到的回火硬度較大。對回火后的彈條進(jìn)行金相檢測,發(fā)現(xiàn)組織是均勻的回火屈氏體和回火索氏體,在心部有微量的斷續(xù)鐵素體,脫碳層≤0.25 mm,符合標(biāo)準(zhǔn)要求[21]?;鼗鸾鹣嘟M織如圖10所示。

        3.3 表面處理方式優(yōu)化

        表面處理是彈條防銹性能的重要保證手段,特別是DI彈條多用于地鐵隧道內(nèi),常年處于陰暗、潮濕、酸堿混合的惡劣環(huán)境,對防銹性能提出了更高的要求。故應(yīng)根據(jù)彈條的材料、生產(chǎn)工藝及具體的現(xiàn)場工況選擇表面處理方式。因此,選取多元合金共滲、熱浸鍍鋅、電泳涂漆、達(dá)克羅[22]等4種表面處理方式進(jìn)行附著力、疲勞和鹽霧的對比試驗(yàn),結(jié)果如表7所示。

        圖10 回火金相組織

        表7 不同表面處理方式試驗(yàn)結(jié)果

        由表7可知,與其他3種表面處理方式相比,DI彈條表面在經(jīng)多元合金共滲處理后的綜合性能最好。

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證

        綜合以上論述,對各項(xiàng)優(yōu)化措施進(jìn)行固化,得到優(yōu)化后DI彈條各生產(chǎn)要素一覽表,如表8所示。

        表8 優(yōu)化后DI彈條各生產(chǎn)要素

        為驗(yàn)證優(yōu)化措施的有效性,對采用新工藝生產(chǎn)的DI彈條進(jìn)行扣壓力、疲勞試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)。

        (1)扣壓力試驗(yàn)

        參照鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[23]進(jìn)行彈條扣壓力測試,結(jié)果如表9所示。由表9可知,DI彈條扣壓力滿足技術(shù)要求。

        (2)疲勞試驗(yàn)

        對DI彈條進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[23],以此來驗(yàn)證DI彈條的疲勞性能優(yōu)化措施的有效性。試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

        表9 扣壓力測試結(jié)果

        由表10可知,經(jīng)500萬次疲勞試驗(yàn)后,3個彈條試樣均未發(fā)生斷裂,且其殘余變形均小于1 mm,滿足技術(shù)要求。

        (3)鹽霧試驗(yàn)

        對DI彈條樣件進(jìn)行多元合金共滲防銹處理后,為增強(qiáng)防腐效果,在滲層外面加做一層封閉。將處理后的樣件放入中性鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi),500 h后,對樣件的腐蝕效果進(jìn)行評級,結(jié)果如表11所示,由表11可知,鹽霧試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

        表11 彈條鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

        5 結(jié)論

        以現(xiàn)場實(shí)際反映出來的情況為基礎(chǔ),總結(jié)了彈條的主要病害類型;根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況并結(jié)合理論分析,研究了彈條扣壓力不足以及彈條斷裂的原因;從生產(chǎn)工藝角度入手,對彈條的原材料、工藝參數(shù)、表面處理方式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,得到以下結(jié)論。

        (1)彈條扣壓力通過安裝時彈條的變形來實(shí)現(xiàn),一般情況下,彈條彈程越大,扣壓力也越大,當(dāng)產(chǎn)生彈程不足,安裝時彈條基本不需要變形就能裝入鐵座,從而導(dǎo)致彈條扣壓力不足。

        (2)彈條的最大等效應(yīng)力普遍發(fā)生在彈條后拱小圓弧內(nèi)側(cè),此區(qū)域?yàn)閺棗l關(guān)鍵受力區(qū);隨著列車的反復(fù)通過,彈條容易在局部應(yīng)力集中處萌生裂紋,最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致彈條發(fā)生疲勞斷裂。

        (3)采用固化后工藝生產(chǎn)的DI彈條,其力學(xué)性能有了很大的提高;經(jīng)過3年多的跟蹤調(diào)查,采用新工藝生產(chǎn)的DI彈條服役狀況良好,再沒有出現(xiàn)過彈條斷裂現(xiàn)象,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的DI彈條優(yōu)化改進(jìn)措施的正確性、有效性,對彈條的生產(chǎn)、制造有一定的指導(dǎo)意義。

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