钢轨焊接中落锤试验的探讨

2005年第8期

铁 道 建 筑Railway Engineering

 

文章编号:100321995(2005)0820067202

钢轨焊接中落锤试验的探讨

董平禹,杨来顺

(呼和浩特铁路局焊轨段,呼和浩特 010051)

摘要:分析落锤试验的受力、落锤试验在钢轨焊接中的意义及其在国内外的应用状况,提出减少试验接

头数量的建议。关键词:钢轨焊接 落锤试验 应力分析

中图分类号:21319+

2 文献标识码:B

1 落锤试验的受力分析

T B ΠT 1632—91中国铁道行业钢轨焊接接头技术

钢轨焊接中落锤试验的探讨

条件中规定了60kg Πm 钢轨焊缝落锤试验的高度,1锤不断制H 1=512m ,2锤不断制H 2=311m ,当锤头打到钢轨上,尚未发生变形时,有最大冲击应力σd max 为:

σd max =QL Π

4W +[(QL Π4W )2+6QHE AI Π41W 2]1Π2

式中 H ———落锤高度,H 1=520cm ,H 2=310cm ;

Q ———锤头重量,Q =10kN ;L ———支点距离,L =100cm ;E ———弹性模量,E =2×105

MPa ;I ———钢轨惯性矩,I =3217cm 4

;W ———钢轨截面模量,W =39612cm 3

;A ———钢轨截面积,A =77145cm 2。

由此算得:H 1=520cm 时,σd max =15700MPa ,是钢轨母材σb max (=980MPa )的1610倍;H 2=310cm 时,σd max =12200MPa ,是钢轨母材σb max 的1214倍。随着弹性变形的迅速完成且弹性变形量比静载下更大,落锤形成的应力迅速衰减,冲击动应力σd 为:

σd =QL [1+(1+96HEI Π

QL 3)1Π2

]Π4W 计算得:H 1=520cm 时,σd 1=3550MPa ,是σb 的3166倍;H 2=310cm 时,σd 2=2770MPa ,是σb 的2183

倍。

在σd 作用下,钢轨在冲击点发生塑性弯曲变形,如果钢轨未断裂,则锤头在击点的应力下降至1216

MPa ,即锤头在击点的静载应力远小于它在其他钢轨截面上生成的弹性应力,锤头反弹几次后静止。

在上述动应力作用下,由于钢轨塑性变形速率很大,所以材料的抗力也很大,与静载时不同,我们引入一个金属热锻时变形抗力P 的公式来说明:

P =α1α2A Y

式中 Y ———静载变形压力;

A ———锤击面积;α1—

——变形速率系数,在液压锻造机上为110~115,在高速锻锤上取310;

α2—

——与锻模结构相关的系数,认为是常数。α1还与工件温度相关,工件温度高时下降、低时升高,在本文实例中,可认为α1>3~4,即钢轨在落锤时的塑变抗力增大了3~4倍。以上计算说明以下几点:①落锤力在锤头接触到钢轨的瞬时最大,相应内应力最大,随后发生的弹性变形使内应力迅速衰减,由于惯性作用,其弹性变形量大

于静载时变形量。②落锤时弹性变形的响应速度极

大,其极限可达到声波在钢中的传播速度(4982m Πs ),而塑性变形响应速度很小,迟滞发生且塑形变形的抗力也大幅度上升,说明钢轨在塑变应力这样大的情况下为什么还打不断。③落锤时钢轨的断裂是在弹性变形阶段最大应力断面上的缺陷,大到一定程度时,产生裂源迅速扩展的解理断裂,它产生于弹性阶段而不是塑性变形阶段,这与静弯时的断裂不同。

2 落锤试验在钢轨焊接中的意义

由以上的计算分析可知,落锤试验对钢轨焊缝的金属机械性能(力学性能)的定量检验作用不是很大的,只注重经受的锤数而不分析断面缺陷是一种本末倒置。冲击性试验对材料的化学成分尤其是材料中的缺陷十分敏感,我们往往通过这种试验找出缺陷,对焊接工艺进行改进,在钢轨焊接中,落锤试验发现的缺陷以闪光焊为例有以下几种:①灰斑个数、形状面积及分布位置,试验中持续的灰斑面积超限,说明焊接工艺参数不当,各焊厂经过多年的经验和侯启孝等提出的正交试验法,可以改进工艺参数使其减少,偶发性的轨底三角区的大灰斑一般是由于母材的夹杂、疏松超限所

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