Podaljšanje življenjske dobe zaradi utrujenosti in tehnologija predvidevanja celotne-življenjske dobe za elastične sponke
Kateri so glavni mehanizmi in značilne značilnosti odpovedi zaradi utrujenosti elastičnega traku?
Glavni mehanizem porušitve elastičnega traku zaradi utrujenosti je nastanek in širjenje razpok zaradi utrujenosti pod izmenično obremenitvijo. Elastični trakovi so izpostavljeni ponavljajočim se elastičnim deformacijam pod obremenitvami vlaka, kar ustvarja izmenične natezne in tlačne napetosti na površinski plasti. Ko število ciklov napetosti preseže mejo utrujenosti materiala, se začnejo pojavljati razpoke. Začetne razpoke se običajno pojavijo na delih koncentracije napetosti, kot so korenine krempljev elastičnega traku in prehodna območja loka, kjer lahko vrednost napetosti doseže več kot 80 % meje tečenja materiala. Za fazo širjenja razpok so značilne drobne razpoke na površini elastičnega traku, ki segajo od nekaj milimetrov do več kot deset milimetrov. V tem času lahko elastični trak še vedno vzdržuje osnovno silo upogiba, vendar obstajajo možne varnostne nevarnosti. Končna stopnja porušitve je razpoka, ki prodre v elastični del traku, kar povzroči krhek lom. Površina loma kaže tipične značilnosti utrujenosti in med postopkom loma ni očitne plastične deformacije. Značilne značilnosti okvar vključujejo tudi napake, kot so rjave jamice in sledi orodja za obdelavo na površini elastičnega traku. Te napake bodo pospešile nastanek razpok zaradi utrujenosti in skrajšale življenjsko dobo elastičnih trakov zaradi utrujenosti za 30%-50%.
Kakšne so sheme za optimizacijo materiala in učinki izboljšanja učinkovitosti utrjevalne življenjske dobe za elastične-trakove železnice za visoke hitrosti?
Elastični trakovi-železnic za visoke hitrosti uporabljajo legirano jeklo 60Si2CrVATi namesto tradicionalnega jekla 60Si2CrVA. Z dodajanjem titanovih elementov za prečiščevanje zrn se velikost zrn zmanjša z 10 μm na 5 μm, meja utrujenosti materiala pa se poveča za 20 %. Ta material ima natezno trdnost večjo ali enako 1450 MPa, mejo tečenja večjo ali enako 1300 MPa in raztezek večji ali enak 12 %. Njegove celovite mehanske lastnosti so veliko boljše od tradicionalnih materialov in lahko prenese visoko{14}}izmenično obremenitev pri hitrosti 350 km/h. Postopek toplotne obdelave elastičnih trakov je optimiziran za kaljenje + srednje{18}}temperaturno popuščanje, pri čemer je temperatura popuščanja nadzorovana pri 420 stopinjah, tako da elastični trakovi pridobijo odlično kombinacijo trdnosti in žilavosti z udarno žilavostjo, večjo ali enako 60J/cm², s čimer se izognete krhkemu lomu pri nizki-temperaturah. Življenjska doba elastičnih trakov proti utrujenosti po optimizaciji materiala lahko doseže več kot 8-milijonkrat, kar je dvakrat več kot pri tradicionalnih elastičnih trakovih, kar v celoti zadosti 20-letnim zahtevam po delovanju-hitrostnih železniških prog. Preizkusi učinkovitosti kažejo, da optimizirani elastični trakovi nimajo začetka razpok po 8 milijonih cikličnih obremenitev v simuliranih pogojih vibracij železnice za visoke hitrosti, učinek utrjevanja zaradi utrujenosti pa je pomemben.
Kateri so ključni tehnični ukrepi za izboljšanje strukture elastičnih trakov za odpravo koncentracije napetosti?
Jedro strukturnega izboljšanja elastičnega traku je odpraviti dele koncentracije napetosti. Prvič, korenina kremplja elastičnega traku je obdelana s prehodom zaobljenih zaokrožitev, polmer zaobljenih zaokrožitev pa se poveča z R2 mm na R5 mm, faktor koncentracije napetosti se zmanjša z 1,8 na 1,2, kar močno zmanjša verjetnost nastanka razpok. Drugič, obločno prehodno območje elastičnega traku je optimizirano z uporabo gladke krivulje namesto tradicionalnega polilinijskega prehoda, zaradi česar je porazdelitev napetosti bolj enakomerna in zmanjša največjo vrednost napetosti za 15 %. Tretjič, prečni-prerez elastičnega traku ima spremenljiv prečni-prerez, del kremplja, ki-nosi napetost, je odebeljen na 12 mm, del, ki ne nosi-obremenitve-je stanjšan na 8 mm, kar zmanjša stopnjo napetosti ne{15}}nosilni-deli, hkrati pa zagotavlja uklonsko silo. Četrtič, prosti konec elastičnega traku ima ravno zasnovo, širina se poveča z 20 mm na 25 mm, kar poveča kontaktno površino s tirnico in razprši kontaktno napetost. Po izboljšanju konstrukcije je treba preveriti z analizo napetosti končnih elementov, da se zagotovi, da je vrednost napetosti vsakega dela elastičnega traku nižja od meje utrujenosti materiala in da je območje nihanja napetosti nadzorovano znotraj ±5%.
Kakšne so procesne metode in načela delovanja površinske ojačitvene obdelave elastičnih trakov za izboljšanje življenjske dobe?
Obdelava elastičnih trakov za površinsko ojačitev vključuje sestavljeni postopek utrjevanja s strganjem in fosfatiranjem pri nizki-temperaturi. Ojačitev s hitrim strganjem uporablja izbruhe iz nerjavečega jekla s premerom 0,3 mm za pršenje površine elastičnega traku pri tlaku 0,5 MPa, kar ima za posledico plastično deformirano plast 0,2-0,3 mm na površini in tvori preostalo tlačno napetost. Preostala tlačna napetost lahko izravna komponento natezne napetosti pri izmenični napetosti, zmanjša dejansko amplitudo izmenične napetosti površine elastičnega traku za 30 % in močno upočasni nastanek razpok zaradi utrujenosti. Nizkotemperaturni postopek fosfatiranja tvori 5-10 μm fosfatni film na površini elastičnega traku. Fosfatni film ima odlično mazljivost in odpornost proti koroziji, kar lahko zmanjša trenje in obrabo med elastičnim trakom in tirnico ter prepreči koncentracijo napetosti, ki jo povzročajo površinske praske. Površinska hrapavost elastičnega traku po ojačitvi s strelnim strganjem je Ra manj kot ali enaka 1,6 μm, kar odpravlja napake, kot so sledi orodja za obdelavo in robovi, ter dodatno zmanjšuje tveganje koncentracije napetosti. Življenjska doba elastičnih trakov, obdelanih s kompozitnim postopkom, se poveča za 40 % v primerjavi z neobdelanimi, odpornost na slano prho pa je večja ali enaka 500 ur, kar je primerno za različna težka okolja.
Kakšne so konstrukcijske metode in aplikacije za zgodnje opozarjanje modela napovedovanja celotnega-življenjskega cikla elastičnih trakov?
Konstrukcija celotnega-modela predvidevanja življenjskega cikla elastičnih trakov temelji na teoriji kumulativne poškodbe rudarske utrujenosti. Prvič, senzorji napetosti se uporabljajo za-sprotno spremljanje izmenične amplitude napetosti in števila ciklov elastičnih trakov med delovanjem, da se pridobijo podatki o spektru napetosti. Drugič, preskusi utrujenosti elastičnih trakov se izvajajo v laboratoriju, da se določi življenjska doba utrujenosti pri različnih amplitudah napetosti in nariše krivulja S-N (krivulja življenjske dobe napetosti-). Nato združite-podatke o napetostnem spektru, ki jih spremljate na mestu, s krivuljo S-N, da izračunate stopnjo kumulativne poškodbe elastičnega traku zaradi utrujenosti. Ko stopnja poškodbe doseže 0,8, se določi kot zgodnji opozorilni prag zaradi odpovedi zaradi utrujenosti. Končno je vzpostavljen-sistem za napovedovanje življenjske dobe, ki temelji na IoT, za nalaganje podatkov o napetosti in stopnji poškodbe elastičnih trakov v realnem času, da se uresniči dinamična napoved celotnega-življenjskega cikla. Aplikacija za zgodnje opozarjanje je, da ko sistem ugotovi, da je stopnja poškodbe elastičnega traku blizu praga, samodejno izda zgodnje opozorilo za vzdrževanje, da opomni operativno in vzdrževalno osebje, naj pravočasno zamenja elastični trak, da se izogne nesrečam z zlomom zaradi utrujenosti. Napaka napovedi življenjske dobe modela je manjša ali enaka 10 %, kar lahko učinkovito usmerja preventivno vzdrževanje sistema za pritrjevanje tirov.