Повышение качества железнодорожных пружинных клемм на основе совершенствования режимов обработки

Российская Федерация — мощная железнодорожная держава. Протяженность железных дорог страны огромна, а их эксплуатация осуществляется в различных климатических поясах. Темпы роста отечественной экономики диктуют значительное увеличение объемов грузооборота и повышение производительности железных дорог. Основными путями интенсификации перевозок служат повышение скоростей движения поездов и их веса, что связано с резким ростом силового воздействия подвижного состава на путь. В подобных условиях устойчивое функционирование дорог во многом зависит от решения проблемы рельсовых скреплений. Данная проблема решается на основе перехода на прогрессивные виды упругих рельсовых скреплений для железобетонных шпал. Переход на упругие пружинные скрепления является в настоящее время кардинальным решением при разработке новых конструкций этих узлов, удовлетворяющих современным требованиям и обеспечивающих, повышение эксплуатационных возможностей железных дорог при снижении затрат на их текущее содержание [1].

На железных дорогах страны осваивается новый узел рельсового скрепления используемого на наиболее ответственных участках пути: стрелочных переводах, кривых малых радиусов, участках с высокими осевыми нагрузками. Принципиальным отличием нового узла скрепления является замена, в нем промежуточной жесткой клеммы с двухвитковой пружинной шайбой и стандартным клеммным болтом на пружинную прутковую клемму ОПЮ5 в комплекте с плоской жесткой шайбой и с клеммным болтом с квадратным подголовком. Данная конструкция узла обеспечивает более высокую пружинность скрепления особенно на пути с жестким подрельсовым основанием, возможность регулировки положения рельса по высоте в пределах 10−20 мм, снижение трудоемкости и затрат на текущее содержание пути, что особенно актуально для России с большой протяженностью железных дорог в сложных климатических условиях. Клемма ОП 105 обладает большой податливостью в упругой области и в то же время позволяет прижимать рельс к подкладке со значительным усилием, что исключает необходимость применения противоугонов. Прутковые пружинные клеммы ОП 105 в случае их применения в раздельных скреплениях рельсов со шпалами способны во много раз повысить эксплуатационные характеристики железнодорожного пути. С использованием таких клемм рельсовый путь приобретает пространственную упругость, обеспечивается усиление самого промежуточного скрепления, и оно становится способным выдержать длительные динамические нагрузки [1].

Передовым предприятием, на котором было организовано производство клемм ОП 105, стал ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод ММК-МЕТИЗ».

Технологическая схема производства железнодорожных пружинных клемм ОП105 включает три взаимосвязанных технологических блока: подготовительных операций, формообразующих операций и окончательной термической обработки и контроля. Структуру формирования качества составляют операции, базирующиесяна использовании методов различной физической природы: термической обработки, холодной и горячей деформации, обработки резанием. Данная технологическая схема позволила заводу наладить бесперебойный выпуск продукции и в течение длительного времени удерживать значительную часть рынка, данной продукции. Однако требования к качеству клемм непрерывно ужесточаются, что нашло отражение в новых редакциях нормативно-технической документации ОСТ 32.156.-2000 и ОП 105 ТУ, в которых предусматривается 100% контроль качествавыпускаемой продукции, введены новые требования по геометрическим размерам и пружинящим свойствам.

Повышение требований к качеству пружинных клемм имеет целью исключить опасность их внезапного хрупкого разрушения при сборке скреплений, а также в процессе эксплуатации под действием прилагаемых: в пути нагрузок. Опыт производства пружинных клемм показал, что действующая технология не в полном объеме отвечает более жестким требованиям потребителя, что привело к увеличению выпуска несоответствующей продукции, особенно по геометрическим показателям качества и твердости готовых клемм.

Технологический процесс, разработанный в условиях дефицита времени, средств и сложности решаемых задач в период освоения уникального оборудования на основе обобщения собственного производственного опыта в процессе поиска и сравнения большого числа возможных вариантов изготовления, так как теоретические данные по технологии получения пружинных клемм в научной литературе не содержались, а опыт зарубежных фирм был не доступен, требует своего совершенствования, поскольку многие режимы обработки металла назначались не в результате целенаправленных научных и производственных исследований, а исходя из общих представлений о процессах, и без учета специфики взаимодействия различных по физической природе технологических операций обработки нестандартной кремнистой стали 40С2.

В связи с этим актуальным является комплекс исследований, направленный, на обеспечение заданных показателей качества клемм, уменьшение несоответствий и дефектности.

На наш взгляд повышение качества клемм может быть достигнуто на основе совершенствования технологических режимов подготовки металла к формообразованию, обеспечивающих устранение причин неблагоприятной технологической наследственности при формировании требуемых геометрических размеров клемм, и режимов их последующей окончательной термообработки. Такой подход позволит получать на этапе подготовительных операций металл с качествомотвечающим специфике дальнейшей переработки в технологическом блоке формообразования и обеспечивающим формирование требуемых геометрических размеров-промежуточных заготовок и пространственного контура клемм, а на этапе окончательной термообработки достичь необходимого уровня качества готовой продукции в целом.

В развитие этого направления необходимо установить причины возникновения неблагоприятных наследственных связей на начальных этапах производства, инициирующих несоответствия по геометрическим размерам клемм, и разработать меры, направленные на их устранение. Провести исследования процессов формирования, качества стали 40С2 в блоке подготовительных операций с учетом специфики взаимодействия различных технологических методов между собой, и разработать, усовершенствованные режимы подготовки металла к формообразованию, обеспечивающие на последующих операциях достижение геометрических размеров промежуточных заготовок и пространственного контура клемм требуемого качества. Выполнить комплексные исследования динамики формирования прочностных и пластических свойств стали 40С2 при термическом упрочнении, включая оценку их взаимосвязи с уровнем пружинящих свойств изделия, и разработать усовершенствованные режимы окончательной термообработки отформованных клемм, обеспечивающие достижение заданного уровня качества готовой продукции.

Изучив процессы формирования качества в технологических блоках подготовительных операций и окончательной термообработки и контроля, на основе установленных закономерностей, необходимо разработать методику управления качеством пружинных клемм, позволяющую определять результативные технологические режимы, предупреждающие и корректирующие воздействия с целью обеспечения заданного уровня качества готовой продукции.

Представленная диссертационная работа является продолжением и дальнейшим развитием комплекса исследований, выполняемых на кафедре машиностроительных и металлургических технологий ГОУ ВПО «МГТУ», по освоению и совершенствованию производства пружинных клемм различных конструкций для рельсовых скреплений.

7. Результаты работы использованы при успешном прохождении сертификации клемм ОПЮ5 производства ОАО «ММК-МЕТИЗ» во ВНИИЖТ (г. Москва).

8.Полученные в работе теоретические и практические результаты используются в учебном процессе ГОУ ВПО «МГТУ» при подготовке инженеров по специальности 200 503 — «Стандартизация и сертификация» (металлургия), 150 106 — «Обработка металлов давлением» (Приложение 5).

Заключение

.

1. Выполнен анализ процесса производства пружинных клемм ОПЮ5 с позиций теории технологической наследственности во взаимосвязи технологических блоков подготовительных операций, формообразования и окончательной термообработки и контроля, на основе которого определены основные направления исследований по совершенствованию процессов формирования качества готовой продукции, а именно режимов подготовки металла к формообразованию профиля клемм и их окончательной термической обработки.

2. Разработана инженерная формула для прогноза упругого пружинения и оценки точности исполнения промежуточного профиля клеммы «омега» при холодной гибке из круглой прутковой заготовки в зависимости от прочностных показателей качества металла. Анализ расчетных данных подтвердил, что в формировании геометрических размеров профиля клемм основную роль играет стабильность механических свойства металла, получаемого в блоке подготовительных операций. Расчеты по полученному выражению также позволили определить рациональный диапазон прочностных свойств металла, обеспечивающий требуемую точность исполнения промежуточного профиля омега.

3. Разработана математическая модель трансформации показателей качества стали 40С2 на этапе подготовительных операций к формообразованию с учетом технологического наследования свойств. На основе модели с учетом специфики исполнения последующих операций формоизменения разработаны режимы подготовки металла к формообразованию, устраняющие проявления неблагоприятной технологической наследственности и обеспечивающие формирование геометрических размеров промежуточных заготовок и пространственного контура клемм требуемого качества.

4. Получены новые сведения о термическом воздействии на кремнистую пружинную сталь 40С2 в процессах термического упрочнения с использованием тепла печного нагрева. Разработаны математические модели оценки изменения прочностных и пластических показателей качества стали в зависимости от температурно-временных факторов термического упрочнения. Установлена взаимосвязь уровня твердости термически упрочненных пружинных клемм.

ОПЮ5 с величиной остаточной деформации петли изделия при нагружении регламентированным нормативно-технической документацией усилием. Выявленные закономерности динамики трансформации показателей качества стали при термическом упрочнении и характер поведения клемм при контрольном нагружении послужили основой для определения результативных управляющих воздействий на процессы формирования качества готовой продукции в блоке окончательной термообработки и контроля.

5. Разработана методика управления качеством пружинных клемм с учетом характера взаимодействия между технологическими блоками подготовительных операций, формообразования, окончательной термообработки и контроля, на основе которой определены усовершенствованные режимы обработки, обеспечивающие формирование заданного уровня качества геометрических показателей клемм и их механических свойств.

6. Результаты исследований внедрены в действующее производство в виде изменений в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-241−2002 «Производство проката для изготовления пружинных клемм» и технологическую карту ТК 176-МТ.КР-З90−2006 «Клемма пружинная прутковая для крепления рельсов по ОПЮ5 ТУ». В итоге в общей структуре несоответствующей продукции на 93% была снижена дефектность по геометрическим размерам и полностью устранены несоответствия по твердости клемм, что свидетельствует о значительном повышении качества готовой продукции по сравнению с исходной технологией. Подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов работы в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» составил 992,7 руб на 1 тонну товарной продукции.