Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1. Состояние стрелочного хозяйства, его влияние на превозочный процесс железных дорог 13
1.2. Анажз исследований и разработок, направленных на улучшение эксплуатационных качеств стрелочных переводов 16
1.3. Цели и задачи исследования 31
2. ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ АЛГОРИТМОВ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ 34
2.1. Место оптимизации в комплексе решения научно проектных задач 34
2.2. Особенности оптимизационных задач, возникающих при проектировании и совершенствовании стрелочных переводов и их элементов 38
2.3. Техническое описание оптимизационных этапов и построение оптимизационной схемы для основных элементов и узлов стрелочных переводов массовых конструкций 49
2.4. Математическая постановка оптимизационных задач для узлов и элементов стрелочных переводов 55
2.4.1. Постановка задачи оптимизации общих размеров узлов стрелочных переводов 56
2.4.2. Постановка задачи оптимизации размеров элемента, определяющих его наработку на отказ по износу и дефектам 61
2.4.3. Постановка задачи оптимизации форм поперечных сечений элементов стрелочных переводов 64
2.4.4. Постановка задачи оптимизации конструкции элементов с ограниченным набором допустимых конструктивных решений
2.5.Комплекс исследований для оптимизации крестовинных узлов стрелочных переводов
массовых конструкций 70
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ШИРИНЫ КОЛЕИ В ЗОНЕ КРЕСТОВИНЫ НА УРОВЕНЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРЕСТОВИННЫХ УЗЛОВ С ПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ 77
3.1. Задачи эксперимента, измеряемые процессы 77
3.2. Результаты опытных поездок по прямому пути стрелочного перевода
3.2.1. Динамические эффекты в элементах крестовинного узла 80
3.2.2. Динамические эффекты в подвижном составе 89
З.З. Результаты опытных поездок по ответвленному направлению стрелочного перевода 94
3.3.1. Динамические эффекты в элементах крестовинного узла 96
3.3.2. Динамические эффекты в подвижном составе 101
3.4. Выводы по разделу 3 Ю6
ОПТИМИЗАЦИЯ НОРМ И ДОПУСКОВ СОДЕРЖАНИЯ КРЕСТОВИННЫХ УЗЛОВ 110
4.1. Особенности прохождения колесных пар по крестовинному узлу стрелочного перевода НО
4.2. Методы анажза сочетаний размеров крестовинных узлов и колесных пар П4
4.3. Вероятностная модель движения колесных пар по крестовинному узлу, учитывающая коррелирован-ность расчетных величин 125
4.4. Определение вероятностей различных явлений, возникающих при проходе колесных пар по крестовинному узлу с помощью статистического эксперимента на ЭВМ - 4
4.4.1. Структурно-логическая схема статистического эксперимента 144
4.4.2. Реализация эксперимента на ЭВМ 1
4.5. Проверка адекватности построенных моделей сопоставлением с результатами измерений в пути 155
4.6. Анализ состояния размеров крестовинных узлов на сети дорог 158
4.6.1. Методика обмеров 158
4.6.2. Результаты измерения ширины колеи на крестовинных узлах 159
4.6.3. Результаты измерений желобов крестовины и контррельсов 159
4.6.4. Результаты измерений параметров Е 165
4.7. Результаты расчетов, целесообразные диапазоны размеров колеи и желобов 167
4.7.1. Вероятность ударов тыльной части гребней колес в раструб контррельса 167
4.7.2. Вероятность набегания на отогнутую часть контррельса 170
4.7.3. Вероятность ударов тыльной части гребней колес в "нерабочий" усовик до горла 172
4.7.4. Вероятность набегания колес на "нерабочий" усовик после прохода горла крестовины 175
4.7.5. Вероятность распора колесных пар контррельсом и "нерабочим" усовиком 177
4.7.6. Вероятность набегания колес на острие сердечника крестовины 180
4.7.7. Свободный проход колесных пар по крестовин-ному узлу 1
4.8. Оптимизация норм и допусков размеров крестовинных узлов 186
4.9. Выводы по разделу 4
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ КОЛЕСАМИ НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ КРЕСТОВИН И НАИІЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В КОНТАКТНОЙ ОБЛАСТИ ЗОНЫ ПЕРЕКАТЫВАНИЯ 195
5.1.Исследование динамических сил, действующих на крестовины при движении по ним подвижного состава 195
5.1.1. Построение и реализация модели динамической системы экипаж-крестовина 195
5.1.2. Выбор расчетной схемы для массовых расчетов сил, действующих на крестовину; проверка адекватности модели исследуемой системе.. 209
5.1.3. Результаты расчетов сил, действующих на крестовину 213
5.2. Исследование контактных напряжений в зоне перекатывания крестовин 224
5.2.1. Геометрические особенности площадок контактирования колес и крестовин 225
5.2.2. Исследование контактных напряжений в сечениях крестовины поляризационно--оптическим методом 232
5.2.3. Исследование напряженного состояния в контактной области крестовин на объемных моделях 245
5.3. Выводы по разделу 5 258
6. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОФИЛЕЙ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРЕСТОВИН 261
6.1. Износ, наклепываемость металла, образование и - — развитие контактных дефектов в сечениях крестовин в процессе их износа 262
6.1.1. Стадии работы крестовины 262
6.1.2. Кинетика наклепываемости металла крестовин в процессе износа - б
6.1.3. Образование и развитие дефектов в сечениях крестовин из стали ІІ0ГІЗЛ в
процессе износа .7... 271
6.1.4. Общие закономерности износа крестовин 276
6.2. Выбор подхода к построению модели износа крестовин 283
6.3. Построение расчетной модели износа крестовины на различных стадиях ее работы 285
6.4. Возможность применения различных подходов исследования прочности и долговечности для расчета повреждаемости крестовин
6.5. Получение контактно-усталостных характеристик крестовин, построение расчетной модели пора-жаемости крестовин дефектами 310
6.6. Оптимизация профилей рабочих поверхностей крестовин
6.7. Результаты эксплуатации крестовин с различной формой рабочих поверхностей
6.7.1. Износостойкость крестовин с различными вариантами форм рабочих поверхностей 331
6.7.2. Дефектостойкостъ различных крестовин 336
6.7.3. Общие итоги внедрения усовершенствованных профилей крестовин на сети 338
6.8. Выводы по 6 340
7. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ КОНТРРЕЛЬСОВ, РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ
ИХ КОНСТРУКЦИИ 343
7.1, Напряженное состояние и особенности работы
контррельсов стрелочных переводов 543
7.1.1. Исследования напряженного состояния контррельсов в пути 544
7.1.2. Исследования напряженного состояния сечений контррельсов поляризационно-опти-ческим методом на моделях 552
- 7 7.2. Построение математической модели
контррельсового узла 355
7.2.1. Общие требования к модели 355
7.2.2. Расчет пластины в целом 356
7.2.3. Расчет напряжений в месте приложения
нагрузки 362
7.3. Проверка адекватности модели по результатам испытаний в пути 366
7.4. Оптимизация конструкции контррельса 370
7.5. Выводы по разделу 7 378
8. ЭКСТРАПОЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА ОТКАЗОВ
ЭЛЕМЕНТОВ ПО ДЕФЕКТАМ, ВОЗНИКАЮЩИМ ИЗ-ЗА ВЫСОКОГО
УРОВНЯ ИЗГИБНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ 383
8.1. Построение расчетного аппарата 384
ф 8.2. Проверка адекватности модели на примере рас
чета отказов хвостовой части крестовин 389
8.3. Особенности расчета для контррельсов 394
8.4. Использование экстраполяционной модели для решения оптимизационных задач 395
8.5. Выводы по разделу 8 396
9. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННЫХ
ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СОВЕРШЕННТВОВАНИЮ
КРЕСТОВИННЫХ УЗЛОВ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ 397
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 401
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 405
ПРИЛОЖЕНИЯ 4
Введение к работе
Осуществляющаяся в стране перестройка народного хозяйства предъявляет к железнодорожному транспорту высокие требования. Являясь важнейшим элементом инфраструктуры, железнодорожный транспорт должен обеспечивать четкий ритм работы промышленности, энергетики и других отраслей хозяйства страны. Важность бесперебойной работы железнодорожного транспорта подчеркивалась на 2ХУП съезде КПСС [I] и последующих партийных пленумах [2].
Интенсификация работы промышленности, сельского хозяйства, ускоренное выполнение социальных программ требует от железнодорожного транспорта освоения все возрастающего объема перевозок. В двенадцатой пятилетке прирост грузовых перевозок должен быть в 1,5 раза выше достигнутого в одиннадцатой пятилетке и в 1990 году их объем должен составить 4,3 млрд.т., пассажирооборот возрастет на Q%.
Увеличение перевозочной работы будет происходить опережающими темпами по сравнению с ростом эксплуатационной длины магистральных дорог, их средняя грузонапряженность существенно увеличится. Увеличатся средний вес поезда, статическая нагрузка вагонов и скорости их движения, расширится полигон обращения длинносоставных и тяжеловесных поездов.
Решение задач, стоящих перед железнодорожным транспортом, невозможно без повышения качества и надежности технических средств и в первую очередь пути, как основы железнодорожного транспорта. В связи с этим на транспорте проводятся большие работы по усилению пути. Важное место отводится увеличению сроков службы стрелочных переводов и в том числе их основных элементов, а также повышению их прочности и надежности в современных эксплуатационных условиях.
На сети дорог СССР эксплуатируются большое число стрелочных переводов. Их состояние в значительной степени влияет на перерабатывающую способность сортировочных станций, скорости движения поездов на участках между раздельными пунктами и на подходах к ним.
Решение задачи повышения эксплуатационных качеств стрелочных переводов осуществляется путем создания новых и совершенствования существующих конструкций стрелочных переводов.
Созданы и успешно эксплуатируются стрелочные переводы с непрерывной поверхностью катания, обеспечивающие работу со скоростями движения до 200 км/ч и в особо тяжелых условиях эксплуатации. Однако, в настоящее время и на обозримую перспективу основными типами стрелочных переводов на сети дорог останутся обыкновенные стрелочные переводы типов Р75, Р65 и Р50 марок 1/9 и I/II с крестовинными узлами, имеющими жесткие крестовины типа общей отливки сердечника с наиболее изнашиваемой частью усовиков. Поэтому работы по совершенствованию конструкций стрелочных переводов массового производства типов Р75 и Р65, и Р50 марок 1/9 и I/II являются важнейшими.
Крестовинные узлы этих переводов работают в сложных условиях. Высокий уровень динамического воздействия, оказываемого на них колесами, приводит к тому, что срок службы крестовин в 3-5 раз меньше срока службы стрелки. Из-за неудовлетворительного состояния крестовин на сети дорог ежедневно действуют сотни ограничений скоростей движения поездов, поэтому повышение работоспособности крестовин и крестовинных узлов в целом - одна из первоочередных задач путейской науки»
Вопросам совершенствования конструкции и улучшению эксплуатационных качеств стрелочных переводов, их основных узлов посвящено большое число исследований и разработок.
Разрабатываются методы увеличения конструктивной прочности стрелок и крестовин, совершенствуется технология их изготовления, разрабатываются методы элементов, создаются остряки, контррельсы и другие элементы с повышенной прочностью и долговечностью.
Качество выполнения этих работ во многом зависит от методов оценки разработанных предложений. В настоящее время исследователи ориентируются в основном на методы, связанные с прямыми эксплуатационными испытаниями опытных партий. В результате каждый этап совершенствования элемента требует больших затрат времени и средств.
Решение задачи ускоренного совершенствования стрелочных переводов требует разработки оптимизационных подходов, отражающихся на аналитические и расчетные модели, позволяющие расчитывать прочность и долговечность элементов, оценивать безопасность движения подвижного состава по узлам стрелочных переводов на основании минимального объема экспериментальных и эксплуатационных исследований.
Излагаемая работа посвящена разработке методов совершенствования основных элементов стрелочных переводов наиболее массовых конструкций, их оптимизации за счет улучшения геометрических характеристик, снижения уровня динамических воздействий на них и совершенствования конструкции.
Конкретная реализация методов оптимизации рассмотрена применительно к крестовинным узлам с жесткими крестовинами, так как комплекс работ по их оптимизации является важнейшим.
На примере крестовинных узлов представляется возможным проследить варианты постановки и методы решения оптимизационных задач, характерных и для других основных элементов стрелочного перевода.
В работе применены методы математического, физического и электронного моделирования, использованы большие объемы данных измерений геометрических параметров стрелочных переводов и колесных пар и результаты теизометрических измерений динамических процессов на стрелочных переводах.
На защиту выносится комплекс исследований по разработке методов оптимизации основных элементов стрелочных переводов и их приложению к оптимизации крестовинных узлов массовых конструкций. Комплекс включает в себя разработку оптимизационных схем, инженерную и математическую постановку оптимизационных задач для узлов и элементов стрелочных переводов, исследование динамики взаимодействия подвижного состава с крестовинными узлами стрелочных переводов, исследование условий безопасности движения по крестовинным узлам, исследование их напряженно-деформированного состояния, особенностей износа и повреждаемости основных элементов узла и зависимость накопления повреждений в элементах, от их конструкции, геометрии и условий работы в пути.
На основании проведенных исследований получены и внедрены следующие технические решения:
1. Вероятностная модель движения колесных пар по кресто винному узлу и оптимизированная на ее основе общая система геометрических размеров крестовинных узлов стрелочных переводов. (Результаты одобрены Главным управлением пути ШС, внесены в проект инструкции МПС по текущему содержанию пути и после ее утверждения будут приняты, как обязательные для всей сети дорог ШС).
2. Модели износа и дефектообразования в контактной зоне крестовин и оптимизированные на их основе профили рабочих поверхностей крестовин. (Результаты явились основой при разработке отраслевого стандарта на сборные крестовины марок 1/9 и I/II, по которому выпускается более 95% всех крестовин. По результатам подана заявка на изобретение).
3. Математическая модель контррельса из спецпрофиля и оптимизированные формы поперечных сечений прокатных контррельсовых спецпрофилей. (Результаты работы защищены авторским свидетельством, на их основе разработаны и утверждены Государственные стандарты на контррельсовые спецпрофили всех выпускаемых в стране типов).
4. Экстраполяционная модель отказов элементов кресто винного узла по дефектам, возникающим из-за высокого уровня
изгибных напряжений. (Результаты использованы при установлении гарантийных сроков на крестовины и остряки).
Общий экономический эффект перечисленных разработок превышает 4,6 млн. руб./год.
Работа выполнена в период с 1979 по 1989 годы в лаборатории стрелочных переводов отделения путевого хозяйства Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНШЖТ МПС).
