Введение к работе
Актуальность темы. Лесовозный железнодорожный транспорт представляет собой важную фазу производственного процесса лесозаготовок. На его долю приходится более 15% объема вывозимой древесины, его трудоемкость в цикле производственных операций лесозаготовок составляет 7.5%, а доля в себестоимости лесопродукции - 25% и более в зависимости от расстояния вывозки древесины.
Эффективность его работы в значительной степени определяется транспортно-эксплуатационным уровнем, приспособленностью к перевозкам лесных грузов, условиями эксплуатации, безопасностью движения, зависящей от состояния пути, т.е., в конечном счете, от физико-механических свойств материала шпал, которые со времени строительства первых железных дорог вошли в конструкцию верхнего строения пути в качестве незаменимого элемента, изготавливаемого в основном из древесины.
Однако, деревянные шпалы из высокосортного леса в возрасте 80-100 лет фактически потеряли сырьевую базу в России из-за варварского ее уничтожения и в настоящее время задолженность МПС лесной промышленности составляет до 25 млн. м3 высококачественной древесины. Использование железобетонных шпал в конструкциях верхнего строения пути железных дорог, хотя и решает в какой-то мере проблему дефицита первых, но ведет к большим экономическим потерям, которые складываются из физико-технических и механических недостатков железобетона - большой массы, хрупкости, ограниченной коррозионной стойкости и, главное, жесткости, приводящей к разрушению ходовой части подвижного состава, появлению профессиональных заболеваний.
Кроме этого, для железобетонных шпал, работающих в условиях блуждающих токов, существует опасность электрокоррозии. Поэтому, наряду с непрерывными изысканиями способов повышения срока службы деревянных шпал, ведутся исследования по созданию новых более долговечных и экономичных материалов, способных заменить древесину. Одним из таких материалов является древесностекловолокнистый композиционный материал (ДСВКМ), получаемый на основе отходов лесной и деревообрабатывающей промышленностей. Так, только в Липецкой области ежегодное количество отходов составляет более 65 тыс. м3. Они могут использоваться как в качестве армирующего заполнителя ДСВКМ-ла так и для производства фурфурола, получаемого методом каталитического пиролиза древесины. Поликонденсация фурфурола с ацетоном позволяет получить (рурановую смолу ФАМ, которая явЛяеТСя вяжущим БЦЩШВим химически uiuiIkha конструкционных и футеровочных материалов - полимербетонов (ПБ), растворов и мастик, применяемых авторами ДСВКМ-ла - В.И. Харчевниковым, О.П.Плужниковой для этих целей. Однако ими не были решены такие важнейшие проблемы как долговечность и выносливость, без чего вопрос о применении этого материала для железнодорожных шпал оставался проблематичным. Для конструкций брусьев стрелочных переводов лесовозных железных дорог нами предлагается использовать полимербетоны на фурановых и полиэфирных смолах, армированных стеклопластиковой арматурой (СПА). СПА, имея свои преимущества по сравнению со стальной арматурой (более высокую прочность на разрыв, стойкость к щелочам и кислотам, электрическую стойкость), имеет и своп недостатки - невысокий модуль упругости - 5 х 104 МПа, что предопределяет ее экономическую целесообразность применения в сочетании с предварительным
напряжением. Кроме того, в действующих нормативных документах отсутствуют положения по проектированию элементов конструкций с учетом усталости. В данной работе представлены результаты исследования возможности создания и применения в качестве коррозионностойких конструкционных материалов железнодорожных шпал полимерных мастик на фурановых и полиэфирных смолах, армированных как стекловолокном, так и отходами лесной и деревообрабатывающей промышленностей, определившие ее актуальность. Решение данной проблемы осуществлялось автором с 1982 по 1995 годы в рамках научно-исследовательских работ "Обследование и испытание транспортных сооружений с определением фактической грузоподъемности и составлением рекомендаций по повышению уровня их эксплуатационной надежности", а также планам НИР АЕН и ЖКА РФ.
Цель работы - внести, получив новые экспериментальные и теоретические результаты, существенный вклад в решение важной народно-хозяйственной проблемы частичной замены деревянных и железобетонных шпал на шпалы из композиционных материалов на основе отходов лесного комплекса и в первую очередь для железных дорог этого комплекса. В соответствии с целью работы определены следующие задачи:
1. Разработать модифицированный состав ДСВКМ-ла и заводской
технологии изготовления из него шпал для лесовозных железных дорог широкой и
узкой колеи.
2. Изучить вопросы совместимости древесного заполнителя- и смолы ФАМ
в элементах конструкций шпал лесовозных железных дорог.
3. Получить основные коэффициенты, характеризующие свойства
композиционных материалов при длительном действии статических и циклических
нагрузок.
4. Разработать теоретические основы расчета элементов из
композиционных материалов (шпалы и брусья стрелочных переводов) на основе
структурных, объемлющих и усталостных диаграмм материалов с применением
современных компьютерных систем.
-
Разработать рекомендации по подготовке древесных заполнителей при изготовлении элементов конструкций шпал лесовозных железных дорог.
-
Разработать методику расчета элементов конструкций верхнего строения пути из композиционных материалов на выносливость.
7. Провести лабораторные и натурные (эксплуатационные) испытания
шпал из ДСВКМ-ла с анализом состояния древесного заполнителя после
длительной эксплуатации.
8. Разработать рекомендации по эксплуатации лесовозных железных дорог
широкой и узкой колеи со шпалами из ДСВКМ-ла.
Научная новизна работы определяется полученными результатами, основными из которых, выносимыми на защиту, являются:
создание теории расчета шпал из композиционных материалов;
разработка модифицированных составов для шпал из композиционных материалов;
разработка методик расчета элементов конструкций из композиционных материалов на выносливость;
доказательство возможности использования структурных, объемлющих и усталостных диаграмм для исследования сопротивляемости композиционных материалов при циклическом воздействии нагрузок;
- разработка методики формирования коэффициентов условий работы
элементов конструкций верхнего строения пути лесовозных железных дорог;
доказательство возможности использования коэффициента пропорциональности при исследовании работы элементов конструкции при действии длительно действующих статических и циклических нагрузок.
Практическое значение результатов теоретических и экспериментальных исследований заключается в:
- разработке методов и рекомендаций по проектированию элементов
конструкций верхнего строения пути из композиционных материалов с учетом
усталости на базе полученных нормативных физико-механических характеристик и
коэффициентов условий работы;
- разработке заводской технологии изготовления шпал и брусьев
стрелочных переводов из композиционных материалов.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке Международного стандарта по полимербетонам (Rilem-TC-l 13). Положения диссертации прошли промышленную проверку и внедрены на Елецкой дистанции пути ЮВЖД; на предприятиях АООТ "Липецкавтодор"; на предприятии промышленного транспорта объединения "Липецкстройиндустрия", АО "Липецкдорстройматриалы", управления лесами администрации Липецкой области.
Технико-экономическая эффективность внедрения заключается в том, что при равенстве капитальных вложений в производство деревянных шпал и шпал из композиционных материалов в начальный периотд эксплуатации, через 3.5 года сумма капитальных вложений в деревянные шпалы резко возрастает. Экономическая эффективность от внедрения шпал из ДСВКМ составляет 3 млрд.400 млн.руб. при выпуске 100 тыс. штук в год.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям: "Организация и управление железнодорожным промышленным транспортом, лесоинженерное дело".
Вклад автора в разработку проблемы: научная постановка задач теоретических и экспериментальных исследований; разработка основных методических вопросов и содержания исследований; анализ и обобщение результатов исследований; формулировка исходных требований к практическим разработкам. Экспериментальные исследования и работы по внедрению производства технических и технологических рекомендаций, технологических процессов и оборудования проведены под научным руководством и при непосредственном участии автора.
Достоверность результатов работы. Решение проблемы исследований базируется на современных представлениях в области основополагающих научных дисциплин, на современной методике исследования композиционных материалов. Экспериментальные исследования выполнены с привлечением комплекса современных методов исследования состава, структуры и свойств композиционных материалов. Основные численные результаты и количественные закономерности получили вероятностную оценку на основании статистической обработки. Выводы и рекомендации прошли апробацию и производственную проверку, внедрены в промышленности, использованы в инструктивно-нормативной документации и в учебном процессе.
Апробация работы.
Основные результаты были доложены на Республиканской научно-технической конференции "Применение пластмасс в строительном и городском хозяйстве" (Харьков, 1982г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования автомобильного транспорта и автомобильных дорог в условиях жаркого климата и высокогорных районов" (Ташкент, 1982г.); на Всесоюзной конференции "Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте" (Москва, 1984г.); на 5-й Республиканской конференции "Защита металлоконструкций, коммуникаций, технического оборудования от коррозии" (Алма-Ата, 1984г.); на научно-технической конференции "Строительные композиционные материалы на основе отходов отраслей промышленности и энергосберегающие технологии" (Липецк, 1986г.); на научно-технической конференции Минпромстройматериалов СССР и Минвуза РСФСР "Актуальные проблемы строительства" (Воронеж, 1987г.); на научно-практической конференции "Практика, проблемы разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий" (Липецк, 1987г); на 47-й научно-технической конференции Московского автомобильно-дорожного института (Москва, 1989г.); на Всесоюзной конференции "Применение эффективных полимербетонов в машиностроении и строительстве" (Вильнюс, 1989г.); на межвузовской конференции молодых ученых (Липецк, 1987г.); на международной конференции "Повышение долговечности и эффективности работы конструкций сельскохозяйственных зданий" (Челябинск, 1992г.); на VII международном конгрессе "Применение полимеров в бетоне" (Москва, 1992г.); на научно-техническом семинаре "Применение полимеров в бетоне, материалы и конструкции на их основе" (Воронеж, 1992г.); на международной конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (Белгород, 1993г.); на международной конференции "Новые методы расчета, материалы, технологии" (Алчевек, 1993г.); на научно-практической конференции "Состояние, перспективы развития научно-технического потенциала Липецкой области (Липецк, 1993г.); на международной научно-технической конференции "Новые строительные композиты и нетрадиционные технологические решения" (Самара, 1995г.); на научно-практической конференции "Научно-практические достижения в области дорожных строительных материалов, строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений" (Липецк, 1995г.); на УШ международном конгрессе "Применение полимеров в бетоне" (Антверпен, Бельгия, 1995г.)
Публикации: содержание работы опубликовано в 51 статье и монографии.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8-ми глав,
основных выводов и содержит страниц машинописного текста,
рисунков, таблицы, список литературы, включающей наименований,
приложения.