Drugi ciąg - wyniki badań modelowych i ich analiza

Początek analizy numerycznej każdego z kolejnych etapów procesu ciągnienia wymagał zaimportowania geometrii odkształconego po poprzednim ciągu przewodu wraz z bazą danych z poprzedniego (poprzednich) etapów procesu ciągnienia, a w szczególności umocnienia przewodu oraz jego temperatury na wejściu do analizowanego ciągadła. Ponadto rozpoczynając od drugiego ciągu przed każdym kolejnym etapem procesu ciągnienia przeprowadzana była symulacja wstępna z wykorzystaniem zaprojektowanego łącznika, który pozwalał na prawidłowe wprowadzenie przewodu do ciągadła i przyłożenie wektora siły ciągnienia do jego powierzchni znajdującej się za paskiem kalibrującym.

Geometrie przewodu po prawidłowym wprowadzeniu do ciągadła oraz widok na odkształcony materiał po zakończonym drugim ciągu przedstawiono na rysunku 9.24.

Rys. 9.24 Ogólny widok geometrii przewodu jezdnego oraz oczka ciągadła trolejowego przed i po drugim ciągu.

9.2.1 Intensywność naprężenia (wg H-M-H)

Wyniki rozkładu intensywności naprężenia według hipotezy H-M-H w drugim ciągadle przedstawione zostały kolejno na rys. 9.25 – 9.29 zarówno dla odkształcanego przewodu jezdnego jak i oczek ciągadeł PCD oraz TC.

Na przekroju wzdłużnym przewodu przedstawionym na rys. 9.26 wartości intensywności naprężenia zlokalizowane w kotlinie odkształcenia metalu wynoszą dla przypadku procesu TC około 310MPa, natomiast dla procesu PCD są one średnio o 7MPa wyższe i osiągają poziom 317MPa. Analizując otrzymane wyniki rozkładu naprężenia na powierzchni zewnętrznej metalu – rys. 9.27, zauważamy, iż w odróżnieniu od wyników intensywności naprężenia dla pierwszego ciągu procesu, w tym przypadku najwyższe wartości lokalizują się na obwodzie przewodu jezdnego, a nie na powierzchni jego rowka. Dla przypadku procesu z wykorzystaniem oczka ciągadła TC wartości σi w kotlinie ciągadła wynoszą średnio na obwodzie metalu 305MPa, podczas gdy dla procesu z zastosowaniem oczka PCD są one nieznacznie wyższe i osiągają poziom 319MPa. Na powierzchni rowka intensywność naprężenia jest niższa i wynosi dla przypadku TC – 260MPa, a dla przypadku PCD – 290MPa.

Rys. 9.25 Intensywność naprężenia na przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego, dla

PCD

TC

Rys. 9.26 Intensywność naprężenia na przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego, dla drugiego ciągu.

Rys. 9.27 Intensywność naprężenia na powierzchni zewnętrznej odkształconego materiału (widok na rowek przewodu jezdnego) dla drugiego ciągu.

PCD

TC

PCD

TC

Rys. 9.28 Intensywność naprężenia na powierzchni oczka ciągadła TC dla drugiego ciągu.

Rys. 9.29 Intensywność naprężenia na powierzchni oczka ciągadła PCD dla drugiego

TC

Istotnie niższe wartości intensywności naprężenia na powierzchni rowka wynikają głównie z geometrii zaprojektowanego ciągadła dla drugiego ciągu, który zakłada najniższy z całego zestawu współczynnik odkształcenia jednostkowego – 1,22. Ponadto ciąg ten zaprojektowany został tak, aby w głównej mierze zredukować średnicę przewodu jezdnego przy niewielkim odkształceniu samego rowka.

Wartości liczbowe charakterystyk intensywności naprężenia na przekroju wzdłużnym oczka ciągadła również wskazują na mniejszy udział części formującej rowek przewodu jezdnego w całkowitym odkształceniu metalu. W porównaniu do wyników uzyskanych dla pierwszego ciągu, rozkład intensywności naprężenia jest dużo bardziej jednorodny w części roboczej ciągadła i wynosi on dla przypadku TC od 150 do 250MPa, a dla przypadku oczka ciągadła wykonanego z diamentu PCD od 300 do 400MPa.

9.2.2 Intensywność odkształcenia (wg H-M-H)

Całkowita intensywność odkształcenia przewodu jezdnego z uwagi na fakt identycznych geometrii oczek ciągadeł PCD oraz TC oraz przyjętych tych samych własności materiałowych przewodu przedstawiona została jedynie dla przypadku oczka ciągadła PCD na rys. 9.30.

Rys. 9.30 Intensywność odkształcenia dla przekroju wzdłużnego oraz powierzchni zewnętrznej odkształconego materiału dla drugiego ciągu.

Intensywność odkształcenia sprężystego powierzchni oczek ciągadeł przedstawiono na rysunkach 9.31 oraz 9.32.

Rys. 9.31 Intensywność odkształcenia dla przekroju wzdłużnego oczka ciągadła TC dla drugiego ciągu.

Rys. 9.32 Intensywność odkształcenia dla przekroju wzdłużnego oczka ciągadła PCD dla

PCD

TC

Z analizy otrzymanych dzięki przeprowadzonej symulacji numerycznej map rozkładu sumarycznej intensywności odkształcenia przewodu jezdnego po drugim ciągu z zastosowaniem oczka ciągadła PCD wynika, iż w okolicach osi materiału intensywność odkształcenia wynosi 0,5, zaś na powierzchni zewnętrznej materiału wartości te są nieznacznie wyższe i wynoszą około 0,53. Wartości εi na powierzchni rowka przewodu są natomiast, po dwóch ciągach procesu, w dalszym ciągu prawie dwukrotnie wyższe niż na jego powierzchni zewnętrznej i wynoszą od 0,9 do 1.

Wartości intensywności odkształcenia na powierzchni oczka ciągadła TC wynoszą średnio 0,004, natomiast na powierzchni oczka ciągadła PCD są one o 35% niższe i wynoszą 0,0026. Warto również zauważyć, iż na powierzchni roboczej obu ciągadeł nie zauważa się zwiększonych wartości intensywności odkształceń na części formującej rowek przewodu jezdnego.

9.2.3 Temperatura

Stan cieplny procesu ciągnienia przewodu AC-150, po drugim ciągu, w skali od 5 do 140°C, zaprezentowany został na rysunku 9.33. Szczegółowe widoki charakterystyk temperaturowych poszczególnych elementów przedstawione zostały na rys. 9.34-9.37.

Rys. 9.33 Stan cieplny procesu ciągnienia przewodu jezdnego AC-150 dla drugiego ciągu.

Rys. 9.34 Mapa rozkładu temperatury dla przekroju wzdłużnego przewodu jezdnego dla drugiego ciągu.

Rys. 9.35 Mapa rozkładu temperatury dla powierzchni zewnętrznej przewodu jezdnego dla

TC PCD

Rys. 9.36 Rozkład temperatury powierzchni oczka ciągadła TC dla drugiego ciągu

Rys. 9.37 Rozkład temperatury powierzchni oczka ciągadła PCD dla drugiego ciągu.

PCD

TC

Z analizy obliczeń numerycznych stanu cieplnego procesu na przekroju wzdłużnym przewodu, przedstawionym na rysunku 9.34 wynika, iż najwyższe wartości temperatury w kotlinie ciągarniczej lokalizują się przy powierzchni metalu blisko przejścia do części kalibrującej ciągadła. Dla przypadku procesu ciągnienia TC wartości temperatury w tym miejscu wynoszą nawet 140°C, podczas gdy dla procesu PCD są istotnie niższe i osiągają maks. 103°C.

Szczegółowy rozkład temperatury na przekroju wzdłużnym ciągnionego przewodu, w miejscu przejścia metalu ze stożka roboczego do części kalibrującej oczka ciągadła zaprezentowano na rys. 9.38. Porównanie tego wykresu z analogicznym wykresem dla pierwszego ciągu zamieszczonym na rys.9.22, pozwala na stwierdzenie, iż różnice w wartościach temperatury uległy podwojeniu. Po pierwszym etapie ciągnienia różnica w wartościach temperatury w okolicach osi materiału wynosiła około 5°C, podczas gdy w drugim ciągu wynosi ona już około 10°C. Również przy powierzchni materiału różnica ta wynosiła wcześniej 20°C, a w przypadku drugiego ciągu jest średnio prawie dwukrotnie wyższa.

Rys. 9.38 Wykres rozkładu liniowego temperatury na przejściu materiału ze stożka roboczego ciągadła do jego części kalibrującej dla procesu ciągnienia PCD i TC

– drugi ciąg, widok w płaszczyźnie symetrii.

Analizując mapy rozkładu temperatury na powierzchni zewnętrznej materiału, które przedstawiono na rys. 9.35, obserwujemy zwiększone wartości temperatury w rowku przewodu trolejowego oraz bezpośrednio w jego okolicach. Przewód jezdny dla procesu ciągnienia TC posiada na powierzchni rowka temperaturę około 158°C, a dla procesu PCD temperatura ta jest o ponad 45°C niższa i wynosi średnio około 110°C.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5 10 15 20 T em p er at u ra [° C]

Odległość od lewej krawędzi [mm]

PCD TC

Wykres prezentujący powierzchniowy rozkład temperatury przewodu wzdłuż linii przejścia odkształcanego metalu ze strefy roboczej do części kalibrującej zamieszczono na rys. 9.39. Wynika z niego, iż blisko 40 stopniowa różnica wartości temperatury przewodu pomiędzy procesem ciągnienia TC, a PCD utrzymuje się na całej jego powierzchni, a w okolicach rowka (oznaczonych na wykresie kolorem niebieskim) jest ona ok. 10°C wyższa.

Rys. 9.39 Wykres rozkładu temperatury na przejściu materiału ze stożka roboczego ciągadła do jego części kalibrującej dla procesu ciągnienia PCD i TC

– drugi ciąg, widok na powierzchnię zewnętrzną.

Temperatura na powierzchni węglikowego oczka ciągadła osiąga swoje maksimum w części roboczej na powierzchni formującej rowek przewodu jezdnego i wynosi ona 120°C. Na pozostałej powierzchni stożka roboczego jest ona o 37% niższa i wynosi średnio 76°C. Dla przypadku procesu z wykorzystaniem diamentowego oczka ciągadła maksymalna temperatura również lokalizuje się na powierzchni formującej rowek przewodu jezdnego i wynosi 85°C. W pozostałej części roboczej ciągadła temperatura ta jest niższa i osiąga wartości od 56 do 58°C.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5 10 15 20 25 30 T em p er at u ra [° C]

Odległość od lewej krawędzi (po łuku) [mm]

TC PCD