RS20050787A - Postupak za spajanje šina zavarivanjem trenjem - Google Patents

Abstract

Pronalazak se odnosi na postupak za metalno spajanje profilisanih šina u dužinu, npr. železničkih šina, nosača ili slično, zavarivanjem trenjem, pri čemu se u prvoj fazi izvodi zagrevanje krajeva šina na temperaturu spajanja pritiskom jednog kraja na drugi i istovremenim relativnim kretanjem jedne čeone površine u odnosu na drugu, i gde se u drugoj fazi, nakon poklapanja kontura odnosno poprečnih preseka, vrši spajanje pritiskom jedne čeone površine na drugu. Radi smanjenja sila potrebnih za savijanje krajeva šina kako bi se ostvarilo relativno kretanje i radi poboljšanja načina trenja zbog dobijanja energije na čeonim površinama šina, kao i visokokvalitetnog metalnog spoja šina sa poklapanjem poprečnih preseka, pronalazak predviđa da se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću relativno, jedan u odnosu na drugi, naizmeničnim (oscilatornim) kretanjem sa velikom amplitudom normalnom na glavnu osu Y koja ima maksimalni otporni moment površine poprečnog preseka.

Description

Postupak za spajanje šina zavarivanjem trenjem

Pronalazak se odnosi na postupak za metalno spajanje profilisanih šina po dužini, npr. železničkih šina, nosača ili sličnog, zavarivanjem trenjem, pri čemu se u prvoj fazi izvodi zagrevanje krajeva šina na temperaturu spajanja pritiskom čeonih površina i relativnim kretanjem jedne u odnosu na drugu, a u drugoj fazi izvodi se spajanje šina poklapanjem kontura, odnosno preseka i pritiskanjem jedne čeone površine na drugu.

Metalno spajanje čeonih površina štapova postupkom zavarivanja trenjem može imati prednosti, kada se zagrevanje čeonih površina, koje su pritisnute jedna na drugu, odnosno dovođenje toplote na krajeve štapova postiže njihovim uzajamnim relativnim kretanjem.

Relativno kretanje se može ostvariti obrtnim kretanjem oko zajedničke ose bar jednog štapa sa brojem obrtaja koji je različit od broja obrtaja i/ili smera obrtanja drugog štapa, ili kretanjem bar jednog štapa normalno na osu, i u poređenju sa naspramnim štapom, kretanjem koje je različitog smera, gde je to kretanje naizmenično i/ili obrtno, odnosno orbitalno.

Naročito kod dugačkih štapova, gde su i druge odgovarajuće dimenzije veće, pogodno je da se zagrevanje štapova koje treba spojiti izvodi relativnim kretanjem, jednog u odnosu na drugi, u suštini normalno na osu, dakle ne obrtno, i periodično.

Iz US 5 697 545 poznat je postupak zavarivanja trenjem i uređaj za zavarivanje cevi trenjem, pri čemu se dva deia cevi postavljaju čeono, pod pritiskom jedan na drugi i izvodi se relativno periodično kretanje čeonih površina radi zagrevanja u oblasti spajanja pomoću magnetostriktivnog pretvarača (transdjusera).

Iz dokumenta EP 0 707 919 A1 poznat je postupak i oscilujući alat za zavarivanje trenjem ili čišćenje mašinskih elemenata proizvoljne konture. Alat za zavarivanje trenjem, prema ovom predlogu, ima upravljački ekscentar i paralelno vođenje, pomoću kojih se ulazno rotaciono kretanje može transformisati u cirkularno paralelno kretanje. Prema ovom postupku obradak se u fazi zagrevanja pomoću alata za zavarivanje trenjem pomera u okolini centra učvršćenog dela.

U dokumentu GB 1 293 531 je objavljen postupak za zavarivanje trenjem prema kome se u fazi zagrevanja nalegle čeone površine krajeva štapova, jedan u odnosu na drugi, kreću orbitalno. Putanja relativnog orbitalnog kretanja može biti kružna, elipsasta ili u drugom slučaju u obliku neke Lisažuove krive (zovu se još i Bovdičeve krive).

Postupak za zavarivanje železničkih šina i drugih sličnih profila zavarivanjem trenjem poznat je i iz dokumenta DE 198 07 457 A1. Prema ovoj prijavi, predloženo je da se između krajeva šina koje se spajaju postavi jedan međudeo, koji se naizmenično kreće linearno ili orbitalno, dok se istovremeno krajevi šina pritiskaju na međudeo u uzdužnom pravcu šina, da bi se toplota neophodna za zavarivanje energijom trenja generisala na obe dodirne površine između krajeva šina i preseka međudela. Takav zavareni spoj šina, u svakom slučaju, ima dva vara trenjem, a što je uslovljeno samim postupkom.

U dokumentu AT 411 883 B objavljen je postupak za metalno spajanje čeonih površina ili preseka šina veće dužine zavarivanjem trenjem. Nakon postavljanje krajeva normalno na osu, predviđena je faza zagrevanja, tako što se poravnati presed oslanjaju jedan na drugi, pritiskaju i oba kraja šina se pomeraju relativno jedan u odnosu na drugi naizmeničnim kretanjem suprotnog smera.

Za čeoni spoj štapova, koji mogu biti profilisani, postupkom zavarivanja trenjem, prema stanju tehnike, a radi zagrevanja čeonih površina na krajevima, nije nužno isključivo rotaciono relativno kretanje oko ose štapova, nego se mogu primeniti relativna kretanja pritisnutih preseka koja su naizmenična, u datom slučaju orbitalna naizmenična kretanja.

Metalno spajanje šina i nosača zavarivanjem trenjem sa naizmeničnim relativnim kretanjem pritisnutih čeonih površina može prilikom zagrevanja zahtevati velike site za pomeranje krajeva šina i posebno kao posledicu prouzrokovati uzdužno pomeranje kontura šina, što predstavlja lokalni diskontinuitet poprečnog preseka šine na mestu vara.

Pronalazak u ovom slučaju daje rešenje i postavlja sebi za cilj da ostvari postupak gore navedene vrste, koji uz manje sile skretanja prilikom relativnog kretanja obezbeđuje poboljšano trenje za generisanje energije na čeonim površinama i visokokvalitetni metalni spoj šina sa poklapanjem poprečnih preseka spoja.

Ovaj cilj se postiže jednim od postupaka ove vrste time, što se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću naizmenično, relativno jedan u odnosu na drugi, sa većom amplitudom normalno na glavnu osu sa maksimalnim otpornim momentom poprečnog preseka.

Na osnovu znanja tehničke mehanike, prema kome profilisani štapovi, kao što su šine, npr. železničke šine ili nosači, opterećeni na savijanje imaju glavne ose poprečnog preseka, pri čemu aksijalni otporni moment ima svoj maksimum za jednu odnosno minimum za drugu osu, i gde je za vrednost glavnog otpornog momenta odlučujuća veličina pojedinačnih površina i njihova normalna nastojanja do glavnih osa, mogu se izračunati kriterijumi i delovanje dinamičkih sila prilikom trenja profilisanih površina.

Da bi se generisala energija na čeonim površinama krajevi šina se mogu naizmenično kretati u bilo kom smeru normalnom na osu.

Šine sa velikom otpomošću na savijanje u pravcu glavnog opterećenja imaju, koliko god je moguće dalje od ose, izbačene površine, kao što su stopa šine ili prirubnica nosača, kako bi se dobio što veći otporni moment poprečnog preseka za malu težinu po jedinici dužine nosača.

Ispitivanja su pokazala da su prilikom površinskog orbitalnog koncentričnog trenja poprečnih preseka šina izbačene površine, koje su opterećene komponentom sile normalnom na pravac po kome su udaljene od težišta, izložene pretežno elastičnom, a kod većih amplituda delimično i plastičnom savijanju. Pošto savijanje krajeva šina u pravcu glavne ose sa maksimalnim otpornim momentom mogu dovesti do opisanog savijanja isturenih površina (prirubnica), a što po pravilu daje takozvano „poskakivanje (vibriranje) prirubnica", i što može pojačati geometrijske i zavarivačke nedostatke metalnog spoja, za pronalazak je bitno da najveće amplitude budu usmerene u pravcu koji je u osnovi normalan na maksimalni otporni moment poprečnog preseka.

Može biti prednost da se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću, relativno jedan u odnosu na drugi, normalno na glavnu osu Y sa maksimalnim otpornim momentom površine poprečnog preseka i to u osnovi naizmeničnim kretanjem.

Kada su prirubnice deblje sa koničnim završetkom može biti pogodno da se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću, relativno jedan u odnosu na drugi, normalno na pravac glavne ose Y u osnovi naizmeničnim kretanjem, pri čemu se to kretanje može imati komponentu manjeg intenzitetu čiji se pravac poklapa sa pravcem glavne ose Y. Manji intenzitet oscilacija u pravcu glavne ose Y, npr. 1/4 i manje, može biti pogodno u pogledu homogenog prostiranja toplote trenja po površini, ali je naravno ograničeno geometrijskim oblikom prirubnice.

Prema još jednom pogodnom izvođenju postupka prema predmetnom pronalasku, krajevi šina se relativno jedan u odnosu na drugi kreću naizmeničnim torzionim kretanjem. Ovom vrstom kretanja, uz manje sile pritiska, može se postići intenzivnije generisanje toplote u oblasti krajeva šina, a uz veću koncentraciju mase.

Takođe je moguće postići pozitivne efekte, kada se ostvaruje naizmenično relativno kretanje krajeva šina po celoj površini poprečnog preseka šina, primenom torzinog naizmeničnog kretanja sa tačkom centra obrtanja izvan površine poprečnog preseka šina.

Velika fleksibilnost postupka u pogledu različitih materijala šina i optimizacije kvaliteta zavarenog spoja krajeva šina može se postići, kada se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću, relativno jedan u odnosu na drugi, normalno na glavnu osu Y kretanjem koje je u osnovi translatomo naizmenično kretanje, pri čemu se tom kretanju može dodati komponenta torzionog naizmeničnog kretanja.

Kada se u postupku prema pronalasku bar jedna od šina podesi na taj način da njen kraj bar za jedno prinudno naizmenično (oscilatomo) kretanje u osnovi ispunjava uslove rezonancije harmonijskih oscilacija, može se postići značajno smanjenje sila koje su potrebne za ostvarivanje naizmeničnog kretanja. Mada trenje čeonih površina krajeva šina ima prigušujuće delovanje na rezonaciju oscilacija, neočekivano je moguće postići smanjenje sila potrebnih za kretanje kako kod translatornog tako i kod torzinog naizmeničnog kretanja, kada se podešavanje izvede sa aspekta uslova za rezonanciju.

Takođe je moguće da se u fazi zagrevanja predvidi relativno kretanje čeonih površina šina da putanja naizmeničnog kretanja ima oblik složenih krivih linija, odnosno Lisažuovih krivih, koje su takve da pokrivaju površinu i imaju najveću amplitudu normalno na pravac glavne ose Y sa maksimalnim otpornim momentom. U svakom slučaju, kvalitet zavarenog spoja se poboljšava kada je odnos komponenata (projekcija) amplitude naizmeničnog kretanja u pravcima glavnih osa veća od 4 prema 1, naročito 6 prema 1. Ovaj odnos takođe važi i za složeno translatorno naizmenično kretanje.

Pomoću shematskih slika pronalazak se detaljnije objašnjava na primerima.

Slika 1 shematski prikazuje železničku šinu sa krajnjim položajima čeone površine.

Slika 1a prikazuje vektore kretanja.

Slika 2 shematski prikazuje železničku šinu sa krajnjim položajima čeone površine prilikom torzionog naizmeničnog kretanja.

Slika 2a prikazuje vektore kretanja.

Slika 3 shematski prikazuje železničku šinu sa krajnjim položajima čeone površine prilikom torzionog naizmeničnog kretanja kod koga je centar obrtanja van površine poprečnog preseka.

Slika 3a prikazuje vektore kretanja.

Na slici 1 se vidi shematski prikaz šine 1, koja ima glavnu osu Y sa maksimalnim otpornim momentom. Kroz težište S poprečnog preseka šine, normalno na pravac glavne ose Y, prolazi glavna osa X sa minimalnim otpornim momentom.

Šina 1, postavljena na nekom rastojanju, radi zagrevanja čeone površine trenjem sa šinom, koja je postavljena aksijalno sučeljeno, prema pronalasku relativno se kreće u pravcu ose X naizmeničnim kretanjem, pri čemu se najvećom komponenta pomeranja u jednom pravcu (predstavljeno tačkastom linijom) dostiže položaj 1x.

Na slici 1a prikazani su vektori kretanja pomereni u težište S površine. Oznakom Lx predstavljeno je naizmenično kretanje (komponenta) u pravcu ose X, dakle glavne ose sa minimalnim otpornim momentom površine poprečnog preseka šine. Naizmenično kretanje (komponenta) u pravcu ose X može imati isti intenzitet, ali i znatno manji, prvenstveno 1/4, naročito 1/8 intenziteta naizmeničnog kretanja u pravcu Y, dakle u pravcu najvećeg otpornog momenta.

Slika 2 prikazuje čeonu površinu šine 1, pri čemu kraj šine 1 izvodi relativno naizmenično torziono kretanje, oko ose kroz težište S, u odnosu na naspramni kraj druge šine radi dobijanja toplote trenja. Položaj 1r (predstavljen tačkastom linijom) shematski prikazuje najveće torziono pomeranje (amplitudu) jedne oscilacije, koje je na slici 2a predstavljeno vektorom kretanja.

Slika 3 prikazuje prinudno torziono naizmenično kretanje (oscilovanje), kod koga centar R obrtanja naizmeničnog kretanja leži na glavnoj osi X sa minimalnim otpornim momentom, ali van ose koja prolazi kroz težište S, odnosno van čeone površine šine. Kod najvećeg torzionog pomaka (amplitude) čeona površina zauzima položaj 1r, shematski prikazan, pri čemu vektori Ly kretanja, kao što je prikazano na slici 3, predstavljaju jednu oscilaciju ose koja prolazi kroz težište S poprečnog preseka oko neke tačke R, koja je na rastojanju a od težišta.

Claims (8)

1. Postupak za spajanje šina zavarivanjem trenjem, gde su šine profilisane, npr. železničke šine, nosači ili slično, a spajanje se vrši u dužinu, pri čemu se u prvoj fazi izvodi zagrevanje krajeva šina na temperaturu spajanja pritiskom jednog kraja na drugi i istovremenim relativnim kretanjem jedne čeone površine u odnosu na drugu, i gde se u drugoj fazi, nakon poklapanja kontura odnosno poprečnih preseka, vrši spajanje pritiskom jedne čeone površine na drugu, naznačen time, što se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću relativno, jedan u odnosu na drugi, naizmeničnim (oscilatomim) kretanjem sa velikom amplitudom normalnom na glavnu osu Y sa maksimalnim otpornim momentom površine poprečnog preseka.

2. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću relativno, jedan u odnosu na drugi, u osnovi naizmeničnim (oscilatomim) kretanjem normalnim na glavnu osu Y sa maksimalnim otpornim momentom površine poprečnog preseka.

3. Postupak prema zahtevu 1 ili 2, naznačen time, što se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću relativno, jedan u odnosu na drugi, u osnovi naizmeničnim (oscilatomim) kretanjem normalnim na glavnu osu Y, gde se ovom kretanju dodaje jedno kretanje manjeg intenziteta u pravcu glavne ose Y.

4. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću relativno, jedan u odnosu na drugi, naizmeničnim torzionim kretanjem.

5. Postupak prema zahtevu 4, naznačen time, što se koristi torziono naizmenično kretanje sa centrom obrtanja izvan površine poprečnog preseka šine.

6. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što se u fazi zagrevanja krajevi šina kreću relativno, jedan u odnosu na drugi, u osnovi translatomim naizmeničnim (oscilatomim) kretanjem normalnim na glavnu osu Y, gde se ovom kretanju dodaje jedno torziono naizmenično kretanje.

7. Postupak prema jednom od zahteva od 1 do 6, naznačen time, što je bar jedna šina podešena tako da njen kraj u osnovi zadovoljava uslove rezonancije harmonijskih oscilacija za prinudno oscilatomo kretanje.

8. Postupak prema jednom od zahteva od 1, 3 ili 6, naznačen time, što se oscilacije vrše po složenim krivim linijama, odnosno Lisažuovim krivim, koje u osnovi obuhvataju veliki deo površine i imaju najveću amplitudu normalno na pravac glavne ose Y sa maksimalnim otpornim momentom površine poprečnog preseka.