» » Испытания катковых опорных частей

Испытания катковых опорных частей

25.04.2016

Для оценки качества высоконагружаемых стальных катковых опорных частей необходимы обширные исследования, однако абсолютного критерия этой оценки нет. В частности, отсутствует просто определяемый показатель материала, который позволил бы рассчитать контактные напряжения сжатия.
Напряжения, допускаемые для опорных частей с глубокой цементацией или наплавленным высококачественным слоем, устанавливают в соответствии с характеристиками трения качения и деформативными свойствами при статической нормальной нагрузке. В результате исследований определяют контактные напряжения сжатия, для которых можно допустить коэффициент трения качения 0,015.
Устойчивость против коррозии опорных частей из высококачественной стали или с наплавленным слоем определяется содержанием в стали хрома и молибдена. Как правило, содержание этих элементов должно составлять минимум 12%. Для опорных частей, находящихся в среде с особенно высоким содержанием хлоридов, количество хрома и молибдена должно быть минимум 18%.
Добавки других элементов влияют на твердость и трещинообразование. Для трещиностойкости благоприятна добавка кремния. Углерод и марганец повышают твердость, но способствуют трещинообразованию.
Основной предпосылкой для работоспособности сильно нагруженных стальных катковых опорных частей является отсутствие трещин. Для обнаружения трещин применяют магнитный, цветовой или ультразвуковой способы, исследуя как шлифованные поверхности катков, так и торцовые поверхности элементов опорных частей. Дополнительные исследования для обнаружения трещин и их глубины проводят на металлографических шлифах.
Величина воспринимаемых контактных напряжений сжатия и величина коэффициента трения качения зависит при опорных частях из однородного материала в основном от его прочности и твердости. Для опорных частей с наплавленным слоем наряду с твердостью поверхностного слоя критерием считается также толщина наплавленного слоя и распределение в нем твердости по глубине, а также прочность основного материала опорной части.
Испытания поверхностного слоя на твердость в различных сечениях и металлографические исследования различных сечений проводят для опорных частей из однородного и неоднородного материалов. Макроскопический и микроскопический анализ структуры шлифов позволяет, например, дать заключение о качестве термически обработанных опорных частей и опорных частей с наплавленным слоем. При качественных исследованиях поперечных шлифов особое внимание следует уделять местам перехода между отдельными наплавляемыми слоями и между наплавленными слоями и основным материалом опорной части.
Испытания катковых опорных частей
Испытания катковых опорных частей

Для основного материала, применяемого в опорных частях с наплавленным слоем (для строительной стали по нормам ДИН 17100 и стального литья по нормам ДИН1681) должна быть обеспечена достаточная ударная вязкость (образца с надрезом). Это относится и к цементированным каткам.
Статические испытания позволяют определить в зависимости от нагрузки общие и остаточные деформации по контактным поверхностям (рис. 9.1 и 9.2), а также разрушающую нагрузку. Испытания проводят при комнатной температуре с использованием двусторонне шлифованных опорных плит. В качестве опорных поверхностей применяют закаленные шлифованные плиты, распределяющие давление. Деформации сжатия определяют с помощью четырех мессур, расположенных на Катковой опорной части симметрично. Начальную нагрузку увеличивают ступенями. После достижения определенной нагрузки, которую выдерживают в течение примерно 3 мин, определяют общие деформации 26 катка и плит. Для определения остаточных деформаций 2δbl после каждой ступени нагружения нагрузку уменьшают до первоначальной. За измеренные деформации принимают средние значения для двух контактных поверхностей опорной части и четырех мест измерений.
Деформации измеряли при различных нагрузках, в том числе при конечных очень высоких. Одновременно определяли половину ширины остаточной зоны давления по контактной поверхности между катком и плитами в зависимости от нагрузки.
При статических испытаниях опорных частей из закаленной стали Х40Сr13 установлено, что уравнения Герца достаточно точно отражают возникающие в опорных частях деформации и средние напряжения смятия вплоть до области пластических деформаций. Для примерно одинаковой твердости элементов опорных частей из стали Х40Сr13 глубина вдавливания в плиту составляет около 2/3 и в каток около Уз от общих остаточных деформаций.
По кривой относительных остаточных деформаций (остаточные деформации контактной поверхности между катком и плитой, отнесенные к диаметру катка) определены нагрузка Q0,3 и контактные напряжения сжатия p0,3, при которых относительные остаточные деформации δы/D составляют 0,3%).
Из условий для коэффициента запаса деформаций
Испытания катковых опорных частей

и коэффициента запаса прочности
Испытания катковых опорных частей

можно в первом приближении оценить контактные напряжений сжатия для расчетных случаев нагрузки H и HZ, а также резервы и пределы нагрузки. Для цементированных опорных частей и опорных частей с наплавленным слоем коэффициент запаса деформаций Q0,3/QН уменьшается с возрастанием диаметра катков, т. е. опорные части с катками меньшего диаметра имеют более высокий резерв нагрузки.
Для имитации действительных условий (высокой вертикальной нагрузки при одновременном воздействии перемещений в горизонтальном направлении) проводят ускоренные и длительные испытания при медленных возвратно-поступательных перемещениях со скоростью 0,1—0,4 мм/с. При этом между параллельными опорными поверхностями пресса располагают две пары катков с соответствующими опорными плитами и промежуточной плитой. Промежуточная плита может совершать возвратно-поступательное движение.
В качестве критерия трения качения используют горизонтальную силу Н, необходимую для перемещения промежуточной плиты, а также максимальную силу Hmax, которая наблюдается в конце пути качения вследствие образования вала. Коэффициент трения качения составляет
μn = 1/2 Hn/V и μmaxn = 1/2 Hmaxn/V,

где V — вертикальная нагрузка; n — число возвратно-поступательных движений (двойных перемещений).
Испытания катковых опорных частей
Испытания катковых опорных частей

Ускоренные испытания (10 двойных перемещений) проводили при различных нагрузках. Путь качения для промежуточной плиты составил ±25 мм относительно средней оси пресса. Как видно из рис. 9.3, сопротивление качению не является постоянной величиной. Оно зависит от нагрузки и рассчитанных с учетом ее контактных напряжений сжатия, а также от материала. Характеристики трения зависят в основном от пути качения, отношения диаметра катков к пути качения и не в последнюю очередь от числа перемещений.
Из диаграммы трения для различных областей применения катковых опорных частей можно получить параметры, соответствующие действительным условиям. Для общей оценки трения качения для стали в упруго-пластической стадии, например, при сравнении материалов или сопоставлении других параметров, особенно пригодны коэффициенты трения качения μ1 и μmax10. Из характера кривых для μ1 и μmax10 (в зависимости от нагрузки или соответственно контактных напряжений сжатия) можно сделать вывод о несущей способности опорных частей (рис. 9.4). Наклон кривых зависит от качества материала (степени твердости). При высоких вертикальных сжимающих нагрузках кривые круто поднимаются.
На практике представляют интерес не только величины μ1 и μmax10. Для опорных частей мостов в первую очередь основное значение имеет величина соответствующая прохождению катка через вал, образующийся после 183 двойных перемещений. Эта величина соответствует максимальному числу двойных перемещений пролетного строения вследствие суточных колебаний температуры в летний или зимний период года (365/2=183).
Длительные испытания на вертикальную нагрузку проводят с учетом контактных напряжений сжатия в соответствии с расчетным случаем нагрузки HZ. При этом прежде всего производя 183 двойных перемещения при пути качения ±20 мм. Из экономических соображений после 10 двойных перемещений скорости движения промежуточной плиты увеличивают с 0,1 до 0,4 мм/с. После 183 двойных перемещений’ путь качения в одном направлении увеличивают на 30 мм. При этом каток переходит вал, образующийся после предыдущих перемещений. Всего осуществляют; 200 двойных перемещений, т. е. вал переходят, 17 раз (рис. 9.5 и 9.6).
Коэффициент трения качения, полученный экспериментально после первого прохождения вала, является наибольшим, причем он также больше величины μmax183. Поэтому коэффициент μw1 рассматривают как основной параметр мостовых опорных катковых частей. Определенная при испытаниях величина не превышает примерно половины допустимого коэффициента трения.
К коэффициентам трения, полученным при испытаниях в идеальных условиях, следует вводить коэффициенты запаса, учитывающие, например, неточности монтажа, загрязнение, коррозию.
Коэффициенты трения, полученные для сталей St37, С35 и GS52 с учетом допускаемых контактных напряжений сжатия по нормам ДИН 1075, достигают или превышают предусмотренную нормами ДИН 1072 предельную величину 0,03 (см. рис. 9.4).
Коэффициент трения качения для термически улучшенных сталей С45, С60, 50CrV4, коррозионностойкой катаной и кованой стали Х40Сr13 и для опорных частей с коррозионностойким наплавленным слоем значительно меньше.
Испытания катковых опорных частей

Наблюдения за установленными опорными частями из высококачественной стали с высокой твердостью показали, что дополнительные усилия при определенных условиях могут привести к повреждениям. Дополнительные усилия появляются вследствие изгиба и неравномерного распределения нагрузки по длине катков, особенно в кривых мостах, если продольная ось катковой опорной части, хотя и перпендикулярна к направлению перемещений пролетного строения при колебаниях температуры, но в то же время не соответствует направлению поворота.
Для выполнения своих функций цементированным катковым опорным частям из стали Х40Cr13 не требуется максимально достижимая твердость по Виккерсу 600—700 кгс/мм2. При меньшей твердости (HV 20=500—580 кгс/мм2) величина остаточных напряжений меньше, поэтому опасность возникновения трещин меньше.
Следует избегать устройства пазов в катках, если резкое изменение поперечных сечений увеличивает остаточные напряжения при термической обработке и при местных перенапряжениях может привести к выходу из строя опорной части. Кроме того, должны учитывать, что переход от торцовых поверхностей катка к цилиндрическим требует достаточно большого радиуса.
Коррозионностойкие опорные части как из прокатной и кованой стали Х40Сr13, так и с наплавленным на поверхности качения слоем уже вскоре после установки обнаруживают признаки коррозии. В большинстве случаев это связано с налетами ржавчины, которые легко удаляются соответствующими жидкими средствами для удаления ржавчины.
Часто ошибочно считают, что коррозионностойкие стали и соответствующие наплавленные слои не корродируют. Следует заметить, что устойчивость против коррозии упомянутых материалов сильно зависит от шероховатости обработанных поверхностей, т. е. чем чище шлифована или полирована поверхность качения, тем меньше влияние коррозии.
Для устранения явлений коррозии в опорных частях из высококачественной стали шлифрванные поверхности качения опорных частей в ряде мостов покрывали толстым слоем смазки или окрашивали. Однако при этом не удается избежать обладания в защитное покрытие пыли или песка, приносимых ветром, т. е. степень загрязнения может достигнуть величины, которая не перекрывается коэффициентами запаса к экспериментально определенному коэффициенту трения качения.
Катковые опорные части подвижны в одном направлении. Поперечные силы воспринимаются сопротивлением трения скольжения по контактным поверхностям, пока каток находится в покое. Если в направлении оси вращающегося катка действует дополнительная сила, то вращательное движение сопровождается поступательным движением. Вопрос о том, какой величины поперечная сила может восприниматься боковыми направляющими, остается открытым. Как показывает практика, действие высоких усилий связано с износом и задиранием в местах контакта и даже разрушением катков.