Technologie zur Verstärkung des Gradienten des Laschenmaterials und Lösung zur Verbesserung der Gelenkermüdungsleistung
Was sind die Hauptformen und Ursachen von Ermüdungsschäden an Laschengelenken?
Zu den Hauptformen von Ermüdungsschäden an Laschenverbindungen gehören drei Arten: Risse um Bolzenlöcher, Kontaktflächenverschleiß und Körperbruch. Risse im Bereich von Schraubenlöchern sind die häufigste Schadensform. Die Ursache liegt darin, dass der Spannungskonzentrationsfaktor an den Schraubenlöchern bis zu 3,0 beträgt und unter der Einwirkung von Rad-{3}}Schiene-Wechsellasten zunächst Ermüdungsrisse um die Löcher entstehen. Die Ursache für den Kontaktflächenverschleiß liegt darin, dass die Schienenverschiebung an der Verbindungsstelle ein relatives Gleiten zwischen der Lasche und der Schiene verursacht. Durch Gleitreibung kommt es zu Metallablösungen an der Kontaktfläche. Wenn die Abnutzungstiefe 0,5 mm überschreitet, wirkt sich dies auf den Passungsgrad der Verbindung aus. Die Ursache für einen Körperbruch ist eine unzureichende Ermüdungsbeständigkeit des Laschenmaterials. Wenn sich der Riss bis zur kritischen Länge ausbreitet, kommt es zu einem plötzlichen Bruch der Lasche. Schäden dieser Art treten meist an den Verbindungsstellen von Schwertransportleitungen auf. Die Ermüdungsschäden an Laschenverbindungen hängen auch eng mit dem Installationsprozess zusammen. Ein unzureichendes Schraubendrehmoment führt zu größeren Verbindungsspalten und einer verstärkten Spannungskonzentration; Ein zu hohes Drehmoment führt zu einer plastischen Verformung der Lasche und verringert deren Ermüdungsfestigkeit. Darüber hinaus sind auch Umweltfaktoren wichtige Anreize für Schäden. Korrosion in Küstenlinien beschleunigt die Rissausbreitung und niedrige Temperaturen in Alpenlinien verringern die Zähigkeit von Laschen und erhöhen das Bruchrisiko.
Was ist das technische Kernprinzip der Verstärkung des Laschenmaterialgradienten?
Das technische Kernprinzip der Verstärkung des Laschenmaterialgradienten besteht darin, eine koordinierte Verbesserung der Matrixzähigkeit und Oberflächenfestigkeit zu erreichen. Durch den Verbundprozess „Matrix-Vergütungsbehandlung + Oberflächenhärtungsbehandlung“ auf der Lasche bildet die Lasche eine Gradienten-Leistungsverteilung. Bei der Matrix-Abschreck- und Anlassbehandlung wird der Prozess „Abschrecken + Hochtemperaturanlassen“ angewendet. Die Lasche wird zum Abschrecken auf 860–880 Grad erhitzt und anschließend bei 580–600 Grad für eine hohe Temperatur angelassen, so dass die Matrix eine getemperte Sorbitstruktur erhält, die eine ausgezeichnete Zähigkeit und Schlagfestigkeit aufweist. Die Schlagenergie des Zähigkeitsindex ist größer oder gleich 50 J (-20 Grad). Bei der Oberflächenhärtungsbehandlung handelt es sich um einen Induktionshärtungsprozess, der die Spannungskonzentrationsteile wie die Kontaktfläche und den Bolzenlochumfang der Lasche lokal erwärmt. Die Heiztemperatur wird auf 900–920 Grad geregelt und dann schnell abgekühlt, sodass die Oberfläche eine angelassene Martensitstruktur mit einer Dicke von 2–3 mm bildet. Die Oberflächenhärte kann HRC55–60 erreichen, was die Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit der Oberfläche erheblich verbessert. Der Schlüssel zur Gradientenverstärkung liegt in der Steuerung der Leistung der Übergangsschicht. Die Dicke der Übergangsschicht wird auf 1–2 mm eingestellt, um einen reibungslosen Leistungsübergang zwischen der Matrix und der Oberfläche zu gewährleisten und neue Spannungskonzentrationen durch plötzliche Leistungsänderungen zu vermeiden. Durch die Gradientenverstärkungsbehandlung kann die Lasche gleichzeitig die doppelten Leistungsanforderungen „Matrix-Schlagfestigkeit und Oberflächenverschleißfestigkeit“ erfüllen und sich an die komplexe Belastungsumgebung der Verbindung anpassen.
Welche Prozessmaßnahmen gibt es zur Verschleißfestigkeitsverstärkung von Laschenkontaktflächen?
Die Prozessmaßnahmen zur Verschleißfestigkeitsverstärkung von Laschenkontaktflächen umfassen hauptsächlich drei Arten: Induktionshärten, Plasmaspritzschweißen und Oberflächennitrieren. Das Induktionshärten ist das am häufigsten verwendete Verfahren. Es erwärmt die Kontaktfläche durch elektromagnetische Induktion, erhöht die Oberflächenhärte auf über HRC55 und die Verschleißfestigkeit ist mehr als dreimal höher als die von unbehandelten Laschen, die dem Gleitverschleiß der Kontaktfläche wirksam widerstehen können. Beim Plasmaspritzschweißverfahren wird Legierungspulver auf Eisenbasis auf die Kontaktfläche gesprüht, die Dicke der Sprühschweißschicht wird auf 3{9}}4 mm eingestellt, die Härte kann HRC60–65 erreichen und die Verschleißfestigkeit ist doppelt so hoch wie die des Induktionshärtungsverfahrens, das für die Verstärkung von Laschen in Schwerlastlinien geeignet ist. Der Oberflächennitrierprozess übernimmt die Gasnitriermethode. Bei einer Temperatur von 520–540 Grad dringen Stickstoffatome in die Oberfläche der Lasche ein und bilden eine nitrierte Schicht mit einer Dicke von 0,3–0,5 mm. Die Oberflächenhärte kann HV900–1000 erreichen. Die nitrierte Schicht verfügt über eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die für Laschen in korrosiven Küstenumgebungen geeignet ist. Unabhängig vom verwendeten Verfahren muss die Kontaktfläche vorbehandelt werden. Der Oberflächenoxidzunder und die Defekte werden durch Schleifen entfernt und die Oberflächenrauheit wird unter Ra1,6 μm kontrolliert, um die Wirkung des Verstärkungsprozesses sicherzustellen. Nach der Verstärkungsbehandlung muss die Genauigkeit der Kontaktfläche getestet werden, um sicherzustellen, dass die Ebenheit und Maßhaltigkeit der Kontaktfläche den Designanforderungen entspricht und eine Beeinträchtigung des Passgrades der Verbindung vermieden wird.
Was ist das Design- und Prozessschema zur Ermüdungsfestigkeitsverstärkung von Laschenschraubenlöchern?
Das Design- und Prozessschema zur Ermüdungsfestigkeitsstärkung von Laschenschraubenlöchern basiert auf einer kombinierten Strategie aus „Lochformoptimierung + Lochumfangsstärkung“. Durch die Optimierung der Lochform wird das herkömmliche kreisförmige Loch in ein elliptisches Loch umgewandelt, und die Längsachsenrichtung der Ellipse stimmt mit der Spannungsrichtung überein, wodurch der Spannungskonzentrationsfaktor um das Loch von 3,0 auf unter 1,5 reduziert werden kann, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung erheblich verringert wird. Für Standardlaschen, deren Lochform nicht geändert werden kann, wird das Verfahren zur Verstärkung des Lochumfangs durch Walzen angewendet. Die Innenwand des Schraubenlochs wird mit einem Walzwerkzeug kaltgewalzt, um eine Restdruckspannungsschicht mit einer Dicke von 0,2–0,3 mm um das Loch herum zu bilden. Der Wert der Restdruckspannung kann -300 MPa bis -400 MPa erreichen, was den Effekt der wechselnden Zugspannung effektiv ausgleichen und die Ausbreitung von Rissen um das Loch herum verzögern kann. Bei der Lochumfangsverstärkung kann auch ein Laserabschreckverfahren eingesetzt werden, um den Bolzenlochumfang lokal abzuschrecken und so einen gehärteten Ring mit einer Breite von 5–8 mm zu bilden. Die Härte des gehärteten Rings kann über HRC55 liegen, was die Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit des Lochumfangs verbessert. Das Konstruktionsschema muss auch die Passgenauigkeit zwischen dem Schraubenloch und der Schraube berücksichtigen und eine Übergangspassung übernehmen. Der Passungsspalt wird auf 0,05 bis 0,1 mm kontrolliert, um Spannungskonzentrationen aufgrund eines übermäßigen Spalts zu vermeiden. Nach der Implementierung des Prozessschemas sind Ermüdungstests erforderlich, um die Ermüdungsbeständigkeit der Schraubenlöcher zu überprüfen und sicherzustellen, dass es bei 1 Million Wechselbelastungen zu keinen Rissen um die Löcher kommt.
Was sind die Kernindikatoren und Bewertungsstandards für die Erkennung der Ermüdungsleistung von Laschenverbindungen?
Die Kernindikatoren für die Erkennung der Ermüdungsleistung von Laschenverbindungen umfassen drei Kategorien: Ermüdungslebensdauer, Spannung um Bolzenlöcher und Kontaktflächenverschleiß. Bei der Ermüdungslebensdauererkennung wird ein Gelenkermüdungsprüfstand verwendet, um Rad-{1}}Schienenstoßbelastungen zu simulieren. Die Laschenverbindungen für Hochgeschwindigkeitsstrecken müssen 5 Millionen Lastwechsel ohne Schaden überstehen, die für Schwerlaststrecken müssen 3 Millionen Lastwechsel ohne Schaden überstehen und die für Normalgeschwindigkeitsstrecken müssen 2 Millionen Lastwechsel ohne Schaden überstehen. Die Spannungserkennung um Schraubenlöcher herum erfolgt mithilfe der Dehnungsmessstreifen-Testmethode. Um den Spannungswert bei wechselnder Belastung zu messen, werden Dehnungsmessstreifen um die Löcher geklebt. Der Spannungswert muss niedriger sein als die Ermüdungsgrenze des Laschenmaterials und der Spannungskonzentrationsfaktor muss kleiner oder gleich 1,5 sein. Die Verschleißerkennung der Kontaktfläche wird von einem Profiler gemessen. Nach der Simulation von Lastzyklen ist eine Verschleißtiefe der Kontaktfläche von weniger als oder gleich 0,2 mm qualifiziert, um sicherzustellen, dass der Passungsgrad der Verbindung nicht beeinträchtigt wird. Der Bewertungsstandard besteht darin, dass alle Erkennungsindikatoren den Standards entsprechen, die Ermüdungslebensdauer der Laschenverbindung den Konstruktionsanforderungen entspricht und die Qualifikationsrate derselben Laschencharge größer oder gleich 98 % ist. Darüber hinaus müssen auch Indikatoren wie die Maßhaltigkeit und die Härteverteilung der Lasche erfasst werden, um die Wirkung des Gradientenverstärkungsprozesses sicherzustellen. Nicht qualifizierte Produkte müssen nachbearbeitet oder verschrottet werden, um die Sicherheit technischer Anwendungen zu gewährleisten.