Содержание к диссертации
Введение
1. Опорные части эксплуатируемых железнодорожных мостов
1.1. Конструктивные особенности Катковых опорных частей
1.2. Анализ состояния опорных частей со срезными катками по результатам их массового обследования 44
2. Исследование причин среза болтов и развала катков 24
2.1. Основные причины среза болтов. Механизм среза. 24
2.2. Распределение срезанных болтов и зазоров в отверстиях планок 34
2.3. Вероятности основных причин среза болтов 38
2.4. Развал и проскальзывание катков 42.
3. Исследование влияния различных факторов на повреждения каретки
3.1. Влияние точности изготовления
3.2. Уменьшение или устранение влияния точности изготовления 65
3.3. Влияние солнечной радихации 76
3.4. Анализ работы противоугонных приспособлений . 84
3.5. Недостатки текущего содержания 94
3.6. К вопросу о распределении нагрузки между катками 95
4. Износ и трение опорных частей
4.1. Трение с учетом износа
4.2. Зависимость износа от нагрузок и перемещений .
4.3. Характер перемещений катков. Суммарный износ
4,.4. Влияние абразивных частиц
4.5. Фактическое трение опорных частей и критерии предельного износа 124
4.6. Определение предельно-допустимого износа в полевых условиях 130
5. Экспериментальная проверка результатов исследования на эксплуатируемых мостах
5.1. Цели и методика экспериментов
5.2.. Характеристика исследуемых опорных частей
5.3. Перемещения. Влияние износа и других факторов на конструктивную поправку
5.4. Распределение нагрузки между катками. Работа каретки 448
Заключение
Общие выводы
Литература
Приложения
- Анализ состояния опорных частей со срезными катками по результатам их массового обследования
- Распределение срезанных болтов и зазоров в отверстиях планок
- Уменьшение или устранение влияния точности изготовления
- Фактическое трение опорных частей и критерии предельного износа
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС перед железнодорожным транспортом поставлены серьезные задачи по дальнейшему увеличению провозной и пропускной способности железных дорог, росту скоростей и объемов перевозок. Постоянно растущая грузонапряженность и строительство новых линий в суровых климатических условиях, затрудняющих эксплуатацию, выдвигают повышенные требования к надежности и долговечности сооружений путевого хозяйства, в т.ч. к мостам, для нормальной работы которых необходимо исправное состояние подвижных опорных частей. Поэтому исследования, направленные на повышение надежности опорных частей эксплуатируемых мостов,являются актуальными.
Опорные части мостов служат для передачи сосредоточенных опорных давлений пролетных строений на опоры. В мостах малых пролетов, где опорные реакции и деформации от временной нагрузки и изменений температуры невелики, применяют плоские или тангенциальные опорные части. При пролетах более 20 м нельзя не считаться с влиянием трения скольжения, поэтому подвижные опорные части делают секторными или Катковыми для обеспечения более свободных перемещений. В мостах дореволюционной постройки применялись, в основном, опорные части с круглыми (цилиндрическими) катками. Начиная с 1925 г. и в настоящее время для пролетных строений с пролетами 55 м и более применяются подвижные опорные части со срезными катками, поскольку они позволяют уменьшить размеры опорной части и тела опоры, что дает заметную экономию материала. Для пролетов от 18 до 55 м применяют секторные опорные части. Наряду с этим в последние годы находят применение опорные части из полимерных материалов: резинометаллические и с антифрикционными прокладками на основе фторопласта. Эти опорные
части на автодорожных мостах уже используются при весьма больших опорных давлениях и значительных перемещениях. Для железнодорожных мостов они применяются пока в опытном порядке, в основном, для малых и средних пролетов. Поэтому металлические катковые опорные части остаются основным типом для эксплуатируемых железнодорожных мостов с пролетами более 50 м, а в мостах дореволюционной постройки - более 15 м.
Опорные части являются ответственным элементом сооружения и от их состояния зависит нормальная, предусмотренная расчётом, работа пролётного строения и опор. Конструктивным особенностям и принципам расчёта опорных частей уделено внимание в трудах многих советских и зарубежных учёных: Е.О.Патона /64, 65/, Г.Передерия /67/, Г.К.Евграфова /27, 28/, С.А.йльясевича /31/, Е.Е.Гибшмана /19,20/, К.Г.Протасова /71/, А.А.Петропавловского /69/, Ф.Блейха /8/, Х.Зггерта, Ю.Гроте, В.Каушке /103/, Коха В. /107/ и др. Исследованию опорных частей из полимерных материалов посвящены работы Л.И.Мещерякова /54, 55/, С.Н.Пшеничникова и М.Б.Фельдмана /74, 75/, В.К.Корчагина и Г.А.Пассека /40/, А.Ф.Кармадонова /34/, В.Андрэ /2/ и др. Исследованием влияния особенностей конструкции и состояния опорных частей на опоры занимались Н.М.Беляев /6/, Е.О.Па-тон и Е.А.Клех /39/, В.К.Качурин /37/, В.Г.Андреев и Г.К.Глыбина /I/, а на пролетные строения - В.И.Ярохно /100/, Г.Н.Карцивадзе /36/, ряд исследователей в Японии /100, 112/ и др. странах. Ю.Н.Ивановым рассмотрено влияние очертания противоугонных зубьев на работу катковой опорной части /33/.
Однако вопросам надежности и долговечности эксплуатируемых опорных частей уделялось недостаточно внимания, что и побудило автора предпринять настоящее исследование.
Как показывает практика, плоские, тангенциальные и секторные
- б -
опорные части не вызывают затруднений в эксплуатации и обычно не требуют ремонта в течение всего срока службы пролетного строения. Но катковые опорные части как старой конструкции, так и современной, в т.ч. по действующим типовым проектам, обладают рядом недостатков. При срезных катках часто наблюдается их развал (разные углы наклона), повреждение противоугонных планок, болтов или штырей, фиксирующих положение катков в каретке, недопустимо большие углы наклона катков, в отдельных случаях - их завал или накладка друг на друга. У старых опорных частей с „круглыми катками встречается значительный износ поверхностей катания. При повреждениях опорных частей часто наблюдается расстройство кладки оголовков опор. Известны случаи, когда при отсутствии поперечных реборд износ в сочетании с перекосом катков был причиной внезапного сдвига подвижного конца пролетного строения и искривления пути в плане, что представляло непосредственную угрозу безопасности движения поездов.
Повреждения каретки опорных частей со срезными катками обычно не представляют непосредственной угрозы безопасности движения поездов, однако их необходимо устранять, поскольку в случае завала катков на пролетное строение и опоры будут передаваться горизонтальные силы, в несколько раз превышающие расчетные значения.'
У катковой опорной части можно выделить две группы элементов: основные, участвующие в передаче сосредоточенного опорного давления, и вспомогательные, назначение которых - обеспечивать правильное положение катков при многократных перемещениях. К первой группе относятся верхний и нижний балансиры с шарниром между ними, катки и опорная плита. Методика расчета этих элементов разработана достаточно полно /80/ и вполне удовлетворительно обеспечивает их прочность. Ко второй группе относятся соединительные планки и фиксирующие болты или штыри, с помощью которых катки объединяются в каретку, а также приспособления против поперечного сдвига и угона
катков. Техническими условиями расчёт элементов каретки не предусмотрен и сечения их подбирают из конструктивных соображений. Не учитывается также возрастающий в процессе эксплуатации износ поверхностей катания.
Ремонт опорных частей требует, как правило, закрытия движения поездов для подъёмки подвижного конца пролетного строения, но из-за незнания причин повреждений обычно оказывается неэффективным и его приходится неоднократно повторять. Это ведет к увеличению эксплуатационных расходов и снижению пропускной способности перегона. В работах по содержанию и реконструкции мостов /3, 26, 38, 51, 58/ рассматриваются различные повреждения эксплуатируемых опорных частей и их предположительные причины, однако рекомендации по устранению повреждений ограничиваются восстановлением первона -чального (проектного) состояния. В этих работах также отмечается, что износ и некоторые другие повреждения опорных частей способствуют появлению трещин в кладке опор.
В настоящее время в эксплуатации находится несколько десятков тысяч Катковых опорных частей. Учитывая широкое распространение указанных дефектов и повреждений и ущерб, который они причиняют эксплуатации мостов, возникла настоятельная необходимость в детальном исследовании причин их появления и влияния на прилегающие к опорной части элементы пролетного строения и опоры.
Целями диссертации являются:
анализ состояния и определение ресурса эксплуатируемых Катковых опорных частей;
определение причин повреждений опорных частей со срезными катками с выявлением относительной значимости различных факторов, вызывающих повреждения;
разработка методики расчета элементов каретки;
- выяснение причин появления и интенсивности нарастания из -
носа поверхностей катания, его влияния на работу опорных частей и прилегающие к ним элементы пролетного строения и опоры;
разработка методики расчетной оценки износа и связанного с ним трения, с учётом изменяющихся условий эксплуатации;
разработка предложений по определению предельно-допустимого износа эксплуатируемых опорных частей;
разработка научно-обоснованных рекомендаций, направленных на обеспечение безотказной работы как эксплуатируемых, так и вновь проектируемых опорных частей.
В процессе исследования были впервые решены следующие задачи, определяющие научную новизну работы:
на основе анализа механизмов среза фиксирующих болтов и результатов статистической обработки данных массового обследования опорных частей установлены основные причины повреждений и получены их сравнительные вероятности;
детально проанализировано влияние на работу опорных частей точности изготовления и монтажа, неравномерного нагрева пролетного строения, загрязненности, несовершенства противоугонных приспособлений, зазоров в отверстиях планок и произведена количественная оценка влияния этих факторов; рассмотрен вопрос о распределении нагрузки между катками;
разработана методика расчета каретки с учётом точности изготовления;
разработана методика расчётной оценки износа поверхностей катания и связанного с ним трения опорных частей и даны предложения по определению предельно-допустимого износа в полевых условиях.
При расчётной оценке износа использовались полученные в МййТе Осиповым В.О. и Феоктистовой Е.П. результаты исследования режимов
нагружения пролетных строений эксплуатируемых мостов.
Достоверность теоретических результатов подтверждена экспериментальными исследованиями, проведенными автором на двух эксплуатируемых мостах, и обработкой экспериментальных данных, полученных различными научно-исследовательскими организациями и место испытательными станциями. Исходной статистической информацией служили данные массового обследования опорных частей, которое по разработанной автором методике было осуществлено дорожными мосто-испытательными станциями в соответствии с указанием Главного уп -равления пути МПС в 1975-76 гг.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, перечня литературы и приложений.
В первой главе рассматриваются конструктивные особенности Катковых опорных частей, дается анализ их состояния на основе массового обследования, и исходя из фактических межремонтных сроков, определяются некоторые показатели их надежности.
Вторая глава посвящена исследованию вероятностно-статистическими методами основных причин среза болтов и развала катков опорных частей со срезными катками.
В третьей главе исследуется влияние на работу опорной части точности изготовления и монтажа, солнечной радиации, очертания противоугонных зубьев, загрязненности. Рассмотрен вопрос о распределении нагрузки между катками при числе их более двух. Разработана методика расчёта элементов каретки с учётом точности изготовления и на основе проведенного исследования даются практические ре -комендации по обеспечению нормальной работы опорных частей со срезными катками'.
В четвертой главе анализируется влияние износа на сопротивление перемещению опорной части. В ней разработана методика расчётной оценки износа и связанного с ним трения, даны предложения по
определению предельно-допустимого износа в полевых условиях, а также практические рекомендации по дальнейшей эксплуатации изношенных и повышению износостойкости новых опорных частей.
Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию работы каретки, распределения нагрузки между катками, влияния износа на работу опорной части. Эксперимента выполнены при испытаниях двух больших мостов. Наряду с этим автором проводились эксперименты по определению температурных деформаций и распределению температур среди элементов пролетных строений, а также по количественной оценке загрязненности опорных частей. Результаты измерений использованы в третьей и четвертой главах.
Все главы завершаются краткими выводами. В заключении приводятся сведения по внедрению рекомендаций и их экономической эффективности, подтверждающие практическую ценность диссертации.
Работа выполнена в Государственном институте по проектированию предприятий путевого хозяйства и геологическим изысканиям (Гипротранспуть) и в аспирантуре Всесоюзного ордена трудового Красного знамени научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИІТ) под руководством доктора технических наук, профессора В.О.'Осипова (МИИТ).
- II -
Анализ состояния опорных частей со срезными катками по результатам их массового обследования
Принятая терминология: зазор в отверстии планки - это расстояние в свету по горизонтали или вертикали между стержнем фиксирующего болта (штыря, винта) и краем отверстия в соединительной планке. Измеренный зазор - это разность диаметров отверстия в планке и стержня болта. Фактический зазор - расстояние в свету между болтом и определенным краем отверстия в данный момент. Противополож -ные зазоры - это зазоры в двух рассматриваемых отверстиях с разных сторон от соответствующих болтов (справа от одного болта и слева -от другого).
Рассмотрим работу подвижной четырехкатковой опорной части. Если вертикальная нагрузка передается через все катки, то при перемещении подвижного конца пролетного строения каждый каток повернется на один и тот же угол. При этом траектории фиксирующих болтов будут одинаковы и строго параллельны для каждой планки, соединяющей катки. Поэтому никаких усилий в элементах каретки катков (т.е. в планках и фиксирующих болтах) не возникнет. Если же какие-либо катки не загружены вертикальной нагрузкой, то они повернутся вслед за нагруженными, т.к. связаны с ними соединительными планками. В этом случае в соединительных планках также не возникает усилий, поскольку трение между катком и балансиром отсутствует (каток не нагружен), а усилие для перекатывания ненагруженного катка по плите настолько мало, что его можно не учитывать.
Предположим далее, что один из катков в опорной части заклинен и не может поворачиваться. Тогда при перемещении балансира все остальные катки также не будут поворачиваться, поскольку они связаны с заклиненным катком планками. В этом случае при перемещении балансира через соединительные планки будет передаваться сила, не меньшая силы трения скольжения. В столбце 3 табл.2.1 даны для некоторых типов опорных частей значения усилий в соединительных планках при заклинке катка и передаче через каретку силы трения скольжения.
Приняты следующие значения и допущения: коэффициент трения скольжения по /43/ равен 0,2; сила трения передается двумя планками и распределена между ними поровну (в действительности все усилие вначале передается через ту планку, в которой имеется отверстие с наименьшим зазором); нагрузка равномерно распределена между всеми катками. В последнем столбце таблицы даны допустимые усилия по срезу на І болт в соответствии с /80/. Как видно из таблицы, усилия в планках значительно превышают допустимые, и фиксирующие болты должны срезаться. Эти усилия превышают также прочность самих соединительных планок. Однако, прочность планок выше прочности болтов, поэтому излом или разрыв соединительных планок практически не встречается.
Отметим три возможные причины заклинки: во-первых это загрязненность опорной плиты, когда под отдельные катки попадают твердые частицы песка, гравия и пр.; во-вторых, - перекос катков, т.к. из-за неравномерного нагрева солнцем и ветровой нагрузки пролетное строение изгибается в плане, балансиры подвижных опорных частей поворачиваются относительно опорных плит и может произойти заклинка одного из катков приспособлениями против поперечного сдвига или противоугонными зубьями; в-третьих, могут заклиниться сами противоугонные зубья в пазах.
Предположим далее, что ни один из катков опорной части не заклинен. Могут ли при этом возникать усилия в элементах каретки? Анализ кинематической схемы каретки показал, что она будет нормально работать лишь при условии высокой точности изготовления и монтажа, в несколько раз превышающей точность, принятую для стальных конструкций. Отклонения некоторых размеров от номинальных (в пределах допусков) вызывают деформации соединительных планок при повороте катков и приводят к появлению в них значительных усилий. В качестве примера в столбцах 4, г5табл.2.1 приведены значения продольных усилий в планках, возникающих, если расстояние между соседними отверстиями под фиксирующие болты в планке на 0,7 мм больше, чем между центрами катков (1-й случай), а также усилия, возникающие, когда расстояния от центра катка до верхнего фиксирующего болта на двух соседних катках разнятся на 0,7 мм (2-й случай). Допуски приняты по /81/.
В обоих случаях считалось, что противоположные зазоры в отверстиях планок отсутствуют (выбраны при проскальзывании катков), и катки поворачиваются на угол, соответствующий перемещению подвижного конца пролетного строения от перепада температуры в 50С и временной нагрузки Н8. Предшествующие разрушению (срезу) болта предельные деформации его и планки, как показывают расчеты, на порядок меньше деформаций, вызванных отклонением размеров от номинальных, и поэтому в расчетах не учитывались.
Как видно из таблицы , продольные усилия в соединительных планках значительно превышают допустимые значения по прочности фиксирующих болтов, и последние должны срезаться. Несколько меньшие, но также превышающие допустимые, усилия возникают от поперечного изгиба планок. Очевидно, что продольная и поперечная срезающие силы действуют на болт одновременно и суммируются геометрически.
Итак, мы установили две основные возможные причины среза фиксирующих болтов: заклинка катков и недостаточная точность изготовления опорной части или несовершенство кинематической схемы каретки. Рассмотрение других возможных причин среза, таких как нерав -номерный износ и неровности плиты и балансира, неточная установка опорных частей, деформации опор и некоторых других, показало, что все они сводятся, в конечном итоге, к тем же двум-основным причинам. Рассмотрим более подробно, при каких обстоятельствах может произойти срез болта.
Распределение срезанных болтов и зазоров в отверстиях планок
В табл.З.І приложений дается сравнение фактических значений fix % вычисленных по (3.6) для распространенных типов эксплуатируемых опорных частей и для некоторых новых, изготавливаемых по типовым проектам , с теоретическими предельно допустимыми значениями ffxT у вычисленными по (3.11). Значения параметров, входящих в (ЗЛІ) для эксплуатируемых опорных частей принимались средними по выборке, а для новых опорных частей - проектными. В таблице даны также доверительные интервалы, вычисленные при вероят -ности 0,99 для их и fix . В последнем столбце таблицы дано отношение верхнего 99% предела fix к нижнему 99% пределу fix . Это отношение показывает во сколько раз должна быть увеличена точность изготовления или уменьшен размах отклонений за счёт допусков, чтобы с надежностью в 99% фиксирующие болты не срезались. На рис. 3.4 дана диаграмма 99%-ных доверительных интервалов fix и fix эксплуатируемых опорных частей, иллюстрирующая полученные результаты.
Из табл.З.І и диаграммы видно, что точность изготовления опорных частей как находящихся в эксплуатации, так и изготавливаемых вновь, значительно ниже той, при которой усилия в элементах каретки не превысят предельно допустимых. Для того, чтобы деформации от допусков не приводили к срезу болтов, точность изготовления элементов каретки должна быть выше примерно в 5-15 раз, в соответствии с отношениями, приведенными в табл.З.Т.
В заключение рассмотрим кратко возможность среза болтов от неточности изготовления для опорных частей с круглыми катками. Расчёты, выполненные для некоторых конкретных опорных частей, показали, что при отклонении от номинала положения штыря (эксцентриситете) возникновение срезающих усилий возможно при выбранных противоположных зазорах в отверстиях уголков каретки. Однако эксцентриситет штыря является единственным фактором, который может привести к срезу, и при увеличении зазоров вероятность среза существенно снижается. Для опорных частей со срезными катками помимо эксцентриситета (или сбой) фиксирующих болтов, срезающие усилия могут возникнуть при отклонениях от номинала диаметров отверстий и болтов и расстояний между отверстиями в планках. Поэтому число возможных сочетаний отклонений, ведущих к срезу, резко возрастет (для четырехкатковой опорной части только за счёт последнего фактора - в 48 раз). Кроме того, увеличение зазоров в отверстиях планок срезных катков, как показал корреляционный анализ, не снижает вероятности среза болтов. Поэтому вероятность среза болтов у шорных частей со срезными катками во много раз выше, чем у опорных частей с круглыми катками, что подтверждается практикой. При массовом обследовании опорных частей были попутно обследованы 40 опорных частей с круглыми катами. Ни у одной из них срезанные штыри-не обнаружены. На основе изучения большого количества отчетов сетевых мостоиспытательных станций можно заключить, что срезанные фиксирующие штыри в опорных частях с круглыми катками встречаются сравнительно редко.
Как показано выше, недостаточная точность изготовления элементов каретки является главной причиной повреждений опорных частей пролетных строений с пролетами до 100 м и одной из основных - при больших пролетах. Для устранения этой причины необходимо существенно повысить точность изготовления, или переделать каретку таким образом, чтобы уменьшить влияние точности изготовления. Последний путь, очевидно, более приемлем, поскольку повышение точности изготовления опорных частей связано с изменением технологии, которое потребует специального оборудования для заводов /13/.
Если деформации элементов каретки, вызываемые отклонениями размеров от номинала, будут компенсированы упругой податливостью планок и болтов при обеспечении их прочности, то болты срезаться не будут. Однако с повышением деформативности элементов каретки уменьшается их прочность. Расчёты, выполненные для конкретных оперных частей, показали, что при существующем соотношении прочностей болтов и планок (последняя выше первой) не удается повысить дефор-мативность до требуемой. Разгрузка болтов и планок от поперечных сил разрезкой планок, так что каждая объединяет лишь два соседних .Обкатка, или устройство планок в виде шарнирной цепи, повышает фактическую податливость примерно вдвое, что недостаточно. Более существенного повышения податливости элементов каретки удается достичь при изменении соотношения жесткостей, если подбирать сечения болтов и планок так, чтобы прочность последней была ниже прочности болта. Болты в этом случае срезаться не могут. Чтобы одновременно обеспечивалась прочность планки, её деформации, связанные с отклонениями размеров от номинала, должны быть меньше предельно допустимых.
Будем рассматривать планку, как неразрезную балку под действием перемещений ее опор (т.е. относительных смещений фиксирующих болтов при повороте катков) и за предельное состояние примем появление пластического шарнира в одном из ее сечений. На рис. 3.5 показана расчетная схема такой планки.
Уменьшение или устранение влияния точности изготовления
Если же центр катка не совпадает с осью, соединяющей середины пазов плиты и балансира, то следует устраивать противоугонные качающиеся рычаги по концам опорной части (рис.3.8). Такая конструкция не требует точной установки плиты относительно приведенного положения балансира, что весьма существенно при больших пролетах, когда передвижка плиты затруднена или невозможна. Но с другой стороны, замена срезных катков круглыми значительно более металлоемка, чем другие виды переустройства опорных частей. Кроме того поверхности катания плиты и балансира не должны иметь выработок на участках перемещения новых катков, что выполнимо далеко не всегда, поэтому применение этого метода весьма ограничено. Таким образом, из рассмотренных вариантов переустройства эксплуатируемых опорных частей предпочтительнее первый - (переустройство кареток), как по отсутствию ограничений применения, так и по трудоемкости и металлоемкости. Для новых опорных частей со срезными катками лучше устраивать зубья на всех катках без каретки, но наиболее целесообразной конструкцией представляется одно или двухкатковая опорная часть с круглыми катками и противоугонными приспособлениями по одному из описанных выше способов. В двухкатковой опорной части оба катка всегда и почти одинаково загружены, что существенно ограничивает их проскальзывание (см. 3.6). Необходимая контактная прочность монет быть обеспечена увеличением диаметра катков, или применением стали повышенной прочности, либо с поверхностным упрочнением. Размеры и вес при этом оказываются не больше, чем у обычной четырехкатковой опорной части со срезными катками. В пользу круглых катков говорит как отечественный, так и зарубежный опыт /103, 109/.
На первый взгляд влияние точности изготовления может быть снижено также путем увеличения зазоров в отверстиях планок. Чтобы выяснить, как реализуются эти возможности и, как в среднем, связаны между собой количество срезанных болтдв ( /), максимальный угол развала катков ( л ) и средняя величина зазоров в отверстиях планок ( Г), была образована выборка - 192 опорных части из общего числа обследованных. В выборку включены те опорные части мостов, у которых отмечены срезанные болты и измерены зазоры по каждой опорной части. На основе этой выборки по сгруппированному материалу подсчитаны параметры распределения случайных величин и определены коэффициенты корреляции. - между количеством срезанных болтов в одной опорной части и максимальным углом развала катков (0,435); - между максимальным углом развала катков и средним зазором в отверстиях планок (0,251),и Гуг = 0.086. Уравнения парной регрессии иллюстрируются рис.3.9-3.11, где пунктиром показаны эмпирические линии регрессии. зазоров на I мм.
Из второго уравнения видно, что при неизменном количестве срезанных болтов увеличение зазора на I мм приводит к увеличению развала на 2,66, а при одних и тех же зазорах срез еще одного фиксирующего болта ведет к увеличению угла развала на I.I32 .
Таким образом, с увеличением зазоров в отверстиях планок дефектность опорных частей (развал катков и срез болтов) растет, а с уменьшением зазоров падает. Поэтому преднамаренное увеличение зазоров, как предусмотрено некоторыми типовыми проектами опорных частей, следует считать нецелесообразным. Наоборот, при изготовлении новых и ремонте эксплуатируемых опорных частей нужно стремиться к уменьшению зазоров в отверстиях планок, максимально возможному по условиям технологии.
У пролетных строений с ездой понизу один из нижних поясов (а у пролетных строений с ездой поверху - один из верхних) в солнечную погоду в течение более или менее продолжительного времени находится в тени от мостового полотна, в то время как пояс другой фермы освещен солнцем. Поэтому температура металла поясов неодинакова, что приводит к деформации пролетного строения в горизонтальной плоскости. В результате, как показано в /бб/, происходит поворот опорной поперечной балки на некоторый угол и перекос нижних балансиров опорных частей, который может привести к перекосу и заклинке катков /28/. Наличие зазоров в приспособлениях против поперечного сдвига позволяет нижнему балансиру поворачиваться относительно опорной плиты. Поворота верхнего балансира относительно нижнего при наличии зазора в шарнире при этом не происходит (расчеты, проведенные для различных типов опорных частей, показали, что работа необходимая для горизонтального поворота верхнего балансира относительно нижнего,в несколько раз больше, чем при повороте нижнего балансира относительно плиты). При увеличении разности температур поясов нижние балансиры будут поворачиваться в плане, проскальзывая по каткам. После поворота на некоторый угол -g-(см.рис.З.І :) верхнее ребро приходит в плотное соприкосновение с торцевыми гранями проточек крайних катков. При дальнейшем увеличении разности температур поясов нижний балансир начинает поворачивать катки, преодолевая трение скольжения, до соприкосновения торцевых граней проточек крайних катков с нижним ребром - рис.3.126.
Заклинка катков наступает лишь после того, как будут полностью выбраны зазоры, имеющиеся в приспособлениях против поперечного сдвига. Эти зазоры, и связанные с ними углы возможного перекоса, будем рассматривать как случайные величины, т.к. они зависят от точности изготовления и монтажа каждой опорной части.
Остановимся теперь вкратце на перекосе опорных частей старой конструкции, имеющих реборды по краям плиты и балансира. При повороте или поперечном смещении нижнего балансира такой опорной части (рис. 3.13) на торцы катка начинает действовать пара поперечных сил Р, вызывающих силы трения скольжения Vfj , одна из которых расположена у верхней, а другая - у нижней поверхностей катания. Поскольку каток перемещается относительно плиты и балансира в противоположные стороны, силы трения также направлены в разные стороны. Плечо этой пары сил равно длине катка. Кроме того, моменты сил трения относительно мгновенного центра вращения катка (опорной плиты) существенно различаются. Это приводит к притормаживанию одного из концов катка и способствует перекосу последнего. У опорных частей с проточками на катках и продольными ребордами по оси плиты и балансира плечо пары сил трения равно в горизонтальной проекции ширине проточки, и момент сил трения значительно меньше, поэтому перекос катков таких опорных частей обычно незначителен.
Фактическое трение опорных частей и критерии предельного износа
Увеличение номинальных зазоров в приспособлениях против поперечного сдвига будет способствовать уменьшению вероятности заклинки катков. Например, при увеличении номинальных зазоров в опорных частях со срезными катками на 1-2 мм, вероятности заклинки от разности температур в 16 уменьшаются в 2,5-8 раз соответственно. Для подтверждения допущений, принятых при выводе формулы деформаций пролетного строения был произведен корреляционный анализ результатов измерения температуры и деформаций для выяснения следующих зависимостей: - температуры металла освещенной фермы от температуры воздуха; - поперечного смещения середины фермы от разности температур поясов; - максимальной разности температур поясов от температуры воздуха; - температуры металла элемента от угла его наклона к гори -зонту; - изменения разности температур нижних поясов в течение дня. Вычисления производились на ЭВМ БЭСМ-4 по изложенному в /47/ методу наименьших квадратов в матричной форме. Результаты даны в таблице 3.4 приложений. Критерием существенности коэффициента корреляции служило Коэффициент корреляции второго столбца показывает, что зависимость между разностью температур и поперечной деформацией нижней горизонтальной фермы близка к линейной. Поскольку максимальная разность температур мало зависит от температуры воздуха (см. столбец 3 таблицы), а ориентация оси моста относительно стран света, как было показано, несущественно влияет на вероятность заклинки катков, полученные расчётные разности температур поясов могут применяться для ориентировочных расчётов.
Опорные части со срезными катками имеют приспособления против продольного угона катков в виде планок, прикрепленных к двум, обычно крайним каткам. Зубообразные концы планок входят в пазы на плите и нижнем балансире опорной части, причем ширина паза во всех случаях несколько больше ширины зуба. Следует отметить, что сопрянение зуба и паза не является зубчатым зацеплением. Е.О.Патон называл такую конструкцию противоугонных приспособлений "качающимися брусками" /64/» В современной литературе ее чаще называют "противоугонными планками с зубообразными концами" /19/, /27/, или для краткости - противоугонными зубьями. При перемещении
балансира и соответствующем повороте катков концы планок должны свободно скользить в пазах, не препятствуя этому повороту. Но они должны препятствовать повороту катков, большему, чем соответствующее перемещение балансира, т.е. проскальзыванию и угону катков. Ширину и очертание зубьев проектируют обычно, исходя из этих условий, графически, т.е. вычерчивая сопряжение при различных углах наклона катка от среднего до крайнего положения. При этом подразумевается абсолютно точная первоначальная установка плит и катков относительно балансира и отсутствие проскальзывания катков. Однако, как показали результаты массового обследования опорных частей, весьма часто встречаются случаи интенсивного истирания сопрягающихся поверхностей зуба и паза, указывающие на несвободное перемещение зуба в пазу, частичную заклинку зуба и, возможно, катка. Причина частичной заклинки зуба объясняется кинематически /33/, где показано, что для обеспечения нормальной работы противоугонные зубья должны иметь эвольвентное очертание. В действительности у эксплуатируемых опорных частей очертание зубьев выполнено по дуге окружности, что должно (теоретически) приводить к их заклинке.
Расчёты показывают, что напряжения смятия по контакту зуба и паза настолько велики, что полная заклинка зуба и катка невозможна. Несоответствие фактического очертания противоугонного зуба теоретическому (при котором он свободно скользит по граням паза) не вызывает полной заклинки загруженного катка с зубом, но оказывает дополнительное сопротивление его повороту. Это сопротивление может способствовать проскальзыванию катка и увеличению угла развала катков из рассмотрения возможного механизма заклинки становится ясным многообразие влияющих на нее факторов, что затрудняет получение относительно точного значения вероятностей среза фиксирующих болтов от заклинки зубьев. Очевидно, что эта вероятность повышается с увеличением расхождения теоретического и фактического очертания зуба, с уменьшением фактического зазора между зубом и гранью паза, с увеличением смещения опорной плиты относительно приведенного положения балансира, поскольку при этом увеличиваются углы наклона катков с зубьями. Для приближенной оценки вероятностей среза болтов от заклинки зубьев примем ряд допущений. Будем считать, что срез болта происходит в том случае, когда проскальзывание балансира, вызванное расхождением теоретического и фактического очертания зуба, за вычетом фактического зазора между зубом и гранью паза, превысит предельно допустимые деформации для фиксирующих болтов (определенные в 3.1). При этом рассматриваются перемещения зуба, соответствующие повороту катка от среднего до крайнего положения (в обе стороны).Предполагается, что влияние других факторов взаимно исключается. Возможность заклинки зуба со стороны направления перемещения катка и противоположной ей рассмотрим раздельно. На рис.3.14 показано положение зуба до (а) и после (б) поворота катка на некоторый угол . зазор между зубом и гранью паза не показан и учитывается в дальнейшем увеличением ширины паза В. После поворота катка на угол с центр закругления зуба Of , займет положение Of . Расстояние от этой точки до закругления паза (касательной Lin ) равно:
Похожие диссертации на Долговечность катковых опорных частей эксплуатируемых железнодорожных мостов
