Введение к работе
Актуальность темы диссертации обосновывается следующим:
Железнодорожный транспорт, в том числе и лесовозный, при крайне медленном строительстве на территории России автомобильных дорог в ближайшие десятилетия останется основным средством грузоперевозок.
Одним из главных, но и наиболее уязвимых, с позиции эксплуатационной долговечности, элементов Верхнего строения железнодорожного полотна является шпала. Как показывает статистика, в мировой практике строительства железных дорог самым распространенным материалом для шпал является древесина. Шпалы на ее основе составляют до 80 % от их общего числа и имеют нормативный срок службы при пропитке антисептиками 14...25 лет, который снижается, в связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей, до 8... 10 лег. В то же время известно, что для замены шпал и на развитие сети железных дорог необходимо вырубать ежегодно до 12 млн. м3 лесов, являющихся легкими планети, причем ей подлежат деревья в возрасте 80... 100 лег.
Интенсивная замена деревянных шпал на железобетонные ведет к большим экономическим потерям, которые складываются из физико-технических и механических недостатков железобетона - большой массы, электропроводности, хрупкости, ограниченной коррозионной стойкости и, главное, жесткости, приводящей к износу рельсов и бандажей колесных пар подвижного состава. Поэтому, при отсутствии учета этих потерь службами пути железных дорог, складывается ситуация, когда отпускная стоимость железобетонной шналы оказывается ниже, чем та же стоимость шпалы из новых композиционных материалов, например, дрспсепоетскловолокнистбго' композиционного материала (ДСВКМ), созданного в Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА), в соответствии с планом НИР Центрально-Черноземного отделения наук о лесе и госбюджета ВГЛТА (г.р. № 01.960.0] 578) лишенного выше названных недостатков. Такое положение тем более парадоксально потому, что ДСВКМ более чем па 70 % состоит из компонентов, которые могут быть плигучены па основе отходов лесного комплекса и деревообрабатывающих производств или являются таковыми -это фурфуролацетоповая смола ФАМ (связующее полимерной матрицы), а также древесная щепа, вершинные срезы хлыстов и т.н. (армирующие заполнители).
К настоящему времени в ВГЛТА получены составы и механические характеристики ДСВКМ, армированного, например, щепой с длиной элементов 150...200 мм или каркасом из необработанных досок, получаемых, например, из отходов шпалопилеиия. Изучены процессы совместимости полимерной мастики па основе ФАМ и древесного заполнителя, ползучесть и выносливость этого материала. Однако производственные испытания шпал показали, что одной из возможных причин появления трещин па их поверхностях может являться влага, диффузионно проникающая через слой полимер-
ной матрицы к предварительно высушенному древесному армирующему заполнителю, склонному к разбуханию, а также температура саморазогрева, усадка и набухание олигомера ФАМ при отверждении и эксплуатации.
В связи с изложенным, представлялось важным изучить влияние различных физических факторов на полимерігую матрицу из стекловолоюшето-\у го композиционного материала (СВКМ), древесный заполнитель и, в целом, на ДСВКМ с учетом анизотропии их свойств.
Целью исследований, результаты которых излагаются в данном рефе
рате, является выработка на их основе матсриаловедчсских, технологических
и иных приемов, гарантирующих трещиностойкость ДСВКМ в течение за
данного срока эксплуатации шпал, в том числе лесовозных железных дорог.
[ Обычст исследований - древееностскловолокнистый композиционный
| материал, получаемый на основе отходов лесного комплекса.
Наиболее существенные новые научные результаты и отличительные особенности представленной работы:
получены значения модулей упругости и коэффициентов Пуассона древесины сосны вырубки Левобережного лесничества г. Воронежа, что дало возможность использовать их в уравнениях обобщеішої о закона Р. Гука для ор-тоїроішоїоісла;
проведены экспериментальные исследовании по выявлению зависимостей пределов прочности и модулей упругости древесины и СВКМ (стекловолок-нистого композиционного материала на ФАМ - фурфуролацетоновом оли-гомерс) от температуры в диапазоне от 0 до 100С. Их результаты зачем аппроксимированы 15 линейными функциями и получены значения темпера-іурпьіх коэффициентов по прочности и жесткости:
- разработаны две модели напряженного и деформированного состояния в
кубе из ДСВКМ, учитывающие физический смысл процессов, происходя
щих в нем с момента начала отверждения олигомера ФАМ до возможного
всестороннего увлажнения, что позволило вывести формулы для подсчет
усадочных деформаций и напряжении в кубике из древесины, которые могут
быть использованы при расчете шпал по первому и второму предельным со
стояниям, в том числе при определении толщины полимерной оболочки из
СВКМ, защищающей cool действия воды;
- разработаны на основе патента РФ водо- и трещипоетойкнй состав ДСВКМ. технология и регламент отливки шпал:
- доказана правильность теоретических расчет» по определению напряжений и деформаций в кубе из ДСВКМ путем их экспериментальной проверки па образцах, погруженных в воду;
- получены коэффициенты стойкости, длительного сопротивления и дли
тельный деформационный, учитывающие действие на ДСВКМ воды и одно
временно приложенной постоянной изгибающей нагрузки, значения которых
уточнены с помощью аппроксимирующих функций.
Г>
Досговсриисі'Ь результатов и иьшодон работы определяют:
обеспечение соответствия граней кубиков, выпиленных из ствола сосны, плоскостям упругой симметрии древесины;
применение при обработке данных эксперимента методов математической статистики;
- проверка правильности расчетов экспериментальными исследованиями;
- использование при выборе,аппроксимирующих функций современной
ЭВМ, причем выбирались те функции, в результате применения которых
сумма квадратов отклонений между теоретическими и экспериментальными
значениями характеристик была минимальной.
Значимості» полученных результати» для теории:
в упругой постановке рассмотрено напряженное и деформированное состояния кубика из древесины с гранями, совпадающими с плоскостями ее упругой симметрии, заключенного в условно изотропную оболочку из от-вержденного раствора ФЛМ, армированного стеклоссткой (СВКМ);
в отличие от рапсе выполненных исследований процесса усадки СВКМ, предложено учитывать не только рост его предела прочности и модуля упругости при отверждении, но и понижение значений этих характеристик при саморазогревс и результате экзотермической реакции полимеризации и дальнейшем технологическом прогреве при температуре 60С. Учтены также возможность смены знаков нормальных напряжений но граням деревянного кубика при постепенном охлаждении, появление на них реактивных усилий сдвига за счет возникновения на гранях раздела полимер-древесина адгезионных связей различной природы, анизотропия свойств последней и влияние давления набухания при всестороннем увлажнении;
в связи со сложностью перечисленных физических процессов и изменчивостью свойств главных компонентов ДСВКМ - древесины и СВКМ, предложено применить при построении суммарных эпюр напряжений, возникающих по граням деревянного кубика под действием всех физических факторов, принцип независимости действия сил и рассмотреть две взаимно дополняющих модели напряженного и деформированного состояния в нем.
Применимое?'), предложенного подхода доказана оригинальными '>кс-псрпмсіїїалміммп исследованиями, позволившими установит), совпадение положения главной площадки с наибольшим растягивающим напряжением с направлением трещины в кубике из ДСВКМ. погруженного в воду при толщине оболочки меньшей., чем расчетная.
Значимость полученных результатов для практики состоит п:
получении формулы для подсчета толщины полимерной оболочки, призванной защищать древесный армирующий заполнитель /(СВКМ от проникновения к нему воды;
разработке на основе патента РФ водо- и ірещшюстойкого состава каркасного варианта ДСВКМ, технологии и регламента отливки шпал, привязанные к существующим на шналопильиых заводах:
предложении ориентировать деревянные прокладки каркаса ДСВКМ, перпендикулярно главным растягивающим напряжениям, т.е. под углом 60 к основанию;
получении численных значений коэффициентов стойкости по прочности и жесткости ДСВКМ в воде и при одновременном действии ее и длительных постоянных изгибающих нагрузок, что позволяет производить расчет шпал различного назначения, в том числе для лесовозных железных дорог, по первому и второму предельным состояниям:
рекомендациях но защите поверхности шпал гидрофобизируюшими составами;
использовании предложенных методик для определения упругих характеристик древесины с учетом анизотропии ее свойств и температуры в учебном процессе ВГЛТЛ на кафедрах сопротивления материалов и древесиноведения.
На защиту ныносятсп:
результаты определения упругих характерне і ик древесины сосны, нозво-.1ЯЮЩИС счи іагь ее ортотрониым 'і слом;
результаты выявления зависимостей механических характеристик древесины и СВКМ or температуры:
анализ напряженного и деформированного состояний, возникающих в кубике из древесины под действием различных физических факторов:
состав /[СВКМ, полученный на основе патента РФ;
меюдики и результат определения коэффициента стойкости ДСВКМ и воде, коэффициента длительности и длительного деформационного коэффициент, полученных с учетом величины полного упругого прогиба;
технология оглишеи шпал из каркасною варианта ДСВКМ и привязка ос к производственному процессу ншалопиления;
комплекс материаловедческих и технологических мероприятий но защите шпал от отрицательного действия на нее воды.
Апробации работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы доложены па ежегодных научно-технических конференциях студентов и преподавателей ВГЛТА (1995... 1998), конференции молодых ученых ВГЛТА (1999 гг.). на Всероссийских научно-практических конференциях : «Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка лесоииженерных кадров» и «Рациональное использование ресурсного потенциала в агролесном комплексе» - Воронеж (1995, 1998 гг.); на научной конференции профессорско-преподавательского состава, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 1997 год, посвященной 200-летию Лесного департамента России - Воронеж (1998 г.); на международной научно-практической конференции : «Рациональное использование лесных ресурсов» -Йошкар-Ола (1999 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 статей, основное содержание - в 13, в том числе получен патент РФ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка библиографических источников и приложений. Ее общий объем составляет 232 стр., в том числе в нем имеется 37 рисунков, 41 таблица, 97 библиографических источников и 27 стр. приложений.