Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 11
1.1. Обзор развития и совершенствование конструкции бесстыкового пути. 11
1.2. Существующие методы расчета бесстыкового пути. 14
2. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния бесстыкового пути при длительной эксплуатации . 20
2.1. Общие положения. 20
2.2. Напряжения, вызванные искривлением рельсов в продольном профиле и в плане незагруженного пути . 27
2.3. Экспериментальное определение изменения напряжений, вызванных искривлением рельсов в плане и в продольном профиле незагруженного пути. 32
2.3.1. Напряжения, вызванные искривлением рельсов в плане. 32
2.3.2. Напряжения, вызванные искривлением рельсов в продольном профиле незагруженного пути. 37
2.4. Напряжения изгиба в рельсах, вызванные несовершенством опирання его на подрельсовое основание. 43
2.5. Напряжения от продольных температурных сил в рельсовых плетях. 52
2.5.1. Экспериментальное определение напряжений от про дольных температурных сил в рельсовых плетях после длительной эксплуатации. 53
2.5.2. Экспериментальные определения напряжений, возника ющих в рельсовых плетях в момент укладки. 56
2.6. Напряжения в рельсах от воздействия динамических сил. 61
3.2.7 Анализ напряженного состояния бесстыкового пути при длительной эксплуатации. 69
2.8. Выводы по главе 2. 79
3. Исследование основных расчетных характеристик бесстыкового пути, изменяющихся в процессе длитель ной эксплуатации . 81
3.1. Общие положения 81
3.2. Методика исследования основных расчетных характеристик бесстыкового пути . 83
3.2.1.Определение погонных сопротивлений непосредственным сдвигом рельсо-шпальной решетки. 83
3.2.2.Определение погонных сопротивлений по температурным деформациям концевых участков рельсовых плетей. 85
3.2.3.Исследование влияния типа и состояния прокладок на величину погонных сопротивлений продольным де формациям рельсов со скреплениями КБ. 88
3.2.4.Определение погонного сопротивления смещению пути в поперечном направлении при длительной эксплуата ции. 92
3.2.5.Определение стыковых сопротивлений продольньм перемещениям рельсов бесстыкового пути. 92
3.3. Обработка данных экспериментальных исследований основных расчетных характеристик бесстыкового пути 93
3.4. Результаты обработки экспериментальных данных. 106
3.4.1.Погонные сопротивления продольным дейормациям рель совых плетей . 106
3.4.2.Погонные сопротивления продольному перемещению
рельса по подкладкам. 108
3.4.3.Сопротивления сдвигу поперек оси пути. 119
3.4.4.Стыковые сопротивления. 121
3.5. Наблюдения за состоянием гаек клеммных и закладных болтов в процессе длительной эксплуатации. 123
3.6. Работа концевых участков и уравнительных пролетов бесстыкового пути. 129
3.7. Устойчивость бесстыкового пути. 132
3.8. Выводы по главе 3. 134
4. Исследование рациональных параметров стыковых и погонных сопротивлений продольным деформациям рельсовых плетей . 137
4.1. Обоснование минимальных значений погонных сопро тивлений продольным перемещениям рельсов. 137
4.1.1. Минимальные значения погонных сопротивлений исходя из условий обеспечения безопасности движения поездов при изломе рельсовой плети. 137
4.1.2. Минимальные значения погонных сопротивлений из условия предотвращения угона рельсовых плетей. 143
4.1.3. Наблюдения за угоном рельсовых плетей. 145
4.2. Оценка максимальных значений погонных сопротивлений продольным перемещениям рельсов . 147
4.3. Оценка максимальных величин стыковых сопротивлений. 154
4.4. Обоснование минимальной величины стыковых сопротивлений продольным перемещениям рельсов. 157
4.5. Установление рациональных интервалов изменения погонных и стыковых сопротивлений. 182
5 Оценка надежности бесстыкового пути при длительной эксплуатации . 188
5.1 Общие положения. 188
5.2 Оценка надежности рельсов бесстыкового пути при длительной эксплуатации. 196
5.3. Оценка надежности рельсовых скреплений типа КБ бесстыкового пути при длительной эксплуатации. 199
5.4. Оценка наделшости железобетонных шпал бесстыкового пути при длительной эксплуатации . 205
5.5. Оценка надежности рельсо-шпальной решетки бесстыкового пути при длительной эксплуатации. 207
5.6. Выводы по главе 5. 209
Заключение. 211
Литература. 215
- Напряжения, вызванные искривлением рельсов в продольном профиле и в плане незагруженного пути
- Методика исследования основных расчетных характеристик бесстыкового пути
- Оценка максимальных значений погонных сопротивлений продольным перемещениям рельсов
- Оценка наделшости железобетонных шпал бесстыкового пути при длительной эксплуатации
Введение к работе
Актуальность работы. Железнодорожный транспорт занимает ведущее место в системе единой транспортной сети СССР. Характеризуя значение железнодорожного транспорта, В.И.Ленин указывал, что железные дороги "... это одно из проявлений самой яркой связи между городом и деревней, между промышленностью и земледелием, на которой основывается целиком социализм. Чтобы соединить это для планомерной деятельности в интересах всего населения, нужны железные дороги" [ I ].
Следуя ленинскому учению о транспорте, Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют неослабное внимание всестороннему комплексному развитию железнодорожного транспорта. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период 1990 года, утвержденные ХХУІ с"ездом КПСС, предусматривают "на железнодорожном транспорте осуществлять техническое перевооружение, обеспечить дальнейшее увеличение провозной и пропускной способности железных дорог на грузонапряженных направлениях, а также наращивание мощностей железнодорожных станции и узлов Конструкция пути во многом определяет эффективность перевозочного процесса. Применение тяжелых современных рельсов типа Р65, Р75 и бесстыкового пути на железобетонных шпалах приводит к уменьшению затрат на ремонт и текущее содержание, улучшению условий взаимодействия пути с подвижным составом, сокращению расходов топлива и электроэнергии, затрачиваемых локомотивами при вождении поездов, повышению комфортабельности пассажиров. Поэтому одна из главных задач путевого хозяйства - усиление подрельсового основания и верхнего строения за счет укладки бесстыкового пути с плетями, сваренными из термически обработанных рельсов Р65 и Р75. К концу Х1-ой пятилетки полигон бесстыкового пути с железобетонными шпалами возрастает с 50 до 80 тыс.км.
Бесстыковой путь широко применяется на дорогах СССР, как типовая конструкция, начиная с 1961 года. До этого были проведены многочисленные эксперименты, в том числе на опытных участках различных дорог. В настоящее время бесстыковой путь уложен на 27 дорогах. Такое широкое внедрение бесстыкового пути стало возможным в результате большой работы отечественных ученых и зарубежных исследователей.
Главное управление пути МПС, Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИШТ), транспортные вузы и многие производственные коллективы провели большую работу по совершенствованию расчета устойчивости бесстыкового пути, разработке теории температурной работы рельсовых плетей, а также другие теоретические и экспериментальные исследования бесстыкового пути.
Бесстыковой путь имеет существенные особенности, в их числе необходимость: обеспечить высокую культуру при его укладке, ремонтах и текущем содержании. Конструкция бесстыкового пути обладает повышенной чувствительностью к отступлениям от норм и допусков его содержания. &то в основном касается температурного режима сварных плетей, очертания балластной призмы, правил производства путевых работ при высоких температурах.
Для повышения эффективности работы транспорта и обеспечения безопасности движения поездов необходимо не только повышение надежности основных элементов пути, но и надлежащее знание состояния верхнего строения бесстыкового пути при длительной эксплуатации. В связи с этим большое значение имеют исследования процессов старения бесстыкового пути, т.е. изменения состояния пути под воздействием подвшшого состава и климатических условий. В настоящее время на сети дорог достаточно много участков бесстыкового пути, уложенных в различных эксплуатационных и климатических условиях, что позволяет дать количественную и качественную оценку происходящих в пути изменений.
В наше время техника не может удовлетвориться только качественными оценками; необходимы точные количественные оценки изменения состояния того или иного сооружения. Количественную оценку изменения пути и его элементов в процессе длительной эксплуатации после наработки определенного тоннажа можно дать на основе разных показателей. Одним из важных показателей оценки состояния пути и его изменений является надежность.
Обеспечение надежности является одним из ключевых проблем при разработке, производстве или эксплуатации технических устройств самого различного типа и назначения. Отказ технических устройств влечет за собой ряд трудностей и неудобств, нарушает привычный ритм жизни и деятельности. Например, отказ: выброс,.разрыв рельсовой плети и т.д. бесстыкового пути может привести к нарушениям безопасности движения поездов. Поэтому надежность обычно рассматривается как одна из основных характеристик современных технических устройств, а в некоторых случаях даже как главная техническая характеристика.
В процессе длительном эксплуатации конструкция верхнего строения бесстыкового пути стареет. Рельсы по мере пропуска тоннажа изнашиваются: снижается их прочность и другие физико-механические характеристики. То же самое происходит и с рельсовыми скреплениями, в которых особенно быстро выходят из строя неметаллические детали. Повреждаются железобетонные шпалы; зерна щебеночного балласта перетираются, одновременно происходит его засорение. Все это приводит к изменению расчетных параметров и к снижению несущей способности в целом, что необходимо учитывать при расчетах его конструкции, назначении ремонтов и перекладок.
Оценивая многолетний опыт эксплуатации бесстыкового пути и анализируя посвященные данной проблеме научные труды можно сформулировать цель исследования.
Цель работы. Целью настоящей диссертации является исследование процессов старения бесстьшового пути при длительной эксплуатации и оценка его надежности.
В соответствии с этой целью в диссертации рассмотрены следующие вопросы,
1. Исследование закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей от наработанного тоннажа.
2. Исследование основных расчетных характеристик, изменяющихся в процессе длительной эксплуатации, и определение их рациональных параметров.
3. Оценка надежности отдельных элементов верхнего строения и всей путевой решетки при длительной эксплуатации.
В результате исследования получены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния пути при длительной эксплуатации. Определены параметры стыковых и погонных сопротивлений при длительной эксплуатации и установлены их рациональные параметры. Дана оценка надежности отдельных элементов верхнего строения и всей путевой решетки в целом.
Данная диссертация является законченной научно-исследовательской работой, содержащей новые решения актуальной научной задачи повышения надежности и эффективности работы бесстыкового пути в сложных эксплуатационных условиях.
Исследования по основным вопросам данной диссертации прово-. дились в соответствии с научно-исследовательским планом ШС СССР: приказы № 49/Ц от 29.12.79 и № 39/Ц от 31.12.82 и по межвузовскому координационному плану научно-исследовательских работ транспортных вузов ШС по проблеме 22.00.00.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе дал обзор развития и совершенствования конструкции бесстыкового пути. Изложены существующие методы расчета бесстыкового пути, обоснованы цели исследований.
Во второй главе приведены результаты исследований изменения напряженно-деформированного состояния бесстьшового пути при длительной эксплуатации.
Третья глава посвящена исследованию основных расчетных характеристик бесстьшового пути, изменяющихся в процессе длительной эксплуатации.
В четвертой главе излагаются результаты исследования рациональных параметров стыковых и погонных сопротивлений продольным деформациям рельсовых плетей.
В пятой главе даны результаты оценки надежности отдельных элементов верхнего строения и всей путевой решетки при длительной эксплуатации.
В проведенных исследованиях принимали участие сотрудники кафедры "Путь и путевое хозяйство" и Путеиспытательной лаборатории НИЕЖТа. Автор приносит глубокую благодарность всем товарищам за консультации, ценные советы и помощь, оказанные в работе.
Напряжения, вызванные искривлением рельсов в продольном профиле и в плане незагруженного пути
Неровности незагруженного пути, проявляются в следствие остаточных деформаций изгиба рельса и из-за неравномерного износа поверхности его катания. В процессе длительной эксплуатации постепенно изменяется величина остаточных деформаций в результате износа основных элементов верхнего строения пути. При этом происходит изменение напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей. - -Неровности незагруженного пути, подвергая рельсы изгибу, приводят к возникновению в них предварительных напряжений, обусловленных двумя причинами: удлинением нейтральной оси рельса Од (растягивающие напряжения) и поворотом сечения рельса при изгибе О к (изгибные напряжения, достигающие максимума в крайних волокнах).
Напяржения, обусловленные удлинением нейтральной оси рельса в соответствии с законом Гука, определяются выражениемсі - продольное смещение рельса за пределами неровности. Удлинение рельсов при изгибе определяется известным выражени Приняв в выражении ( 2.24 ) значение 6L в запас прочности равным нулю и подставив в это выражение значение л L из формулы ( 2.29 ), получим выражение для определения напряжений в рельсах, обусловленных их растяжением при изгибе
Напряжения, возникающие от поворота сечений рельса определяем следующим образом.Выразим связь между радиусом кривизны оси рельса и изгибающим моментом зависимостью Значение (Jw достигает максимума при X — -рр . В этомслучае напряжение Оті определяется по формуле
Однако, изолированные неровности по распространению уступают непрерывным неровностям в пути. Невооруженный глаз порой не может обнаружить бесчисленное количество следующих друг за другом неровностей рельса. Глаз иногда не в состоянии обнаружить впадины на рельсе глубиной 1-2 мм, если их длина превосходит 1,5-2,0 м. Достаточно взглянуть в бинокль вдоль рельса, как рельсовая нить представится в продольном профиле в виде волнистой линии и что кривизна рельса посредине неровности соответствует кривизне круговой кривой.
Как известно, стрела дуги круговой кривой определяется по формуле Напряжения, Ог , подсчитанные по формулам ( 2.38 ) и ( 2.41 ), отличаются друг от друга только коэффициентами. Напряжения, подсчитанные по формуле ( 2.38 ), оказываются в 2,5 раза больше по сравнению с формулой ( 2.41 ).
Для определения неровностей в плане незагруженного пути были выбраны участки бесстыкового пути с однотипным верхним строением: рельсы типа Р65, шпалы железобетонные типа С-56-2, балласт щебеночный, по участкам наработано после капитального ремонта 150 Мт брутто груза. В плане участки состоят из двух обратных кривых К = 600 м (участки I и 3) и прямой вставки между ними длиной 700 м (участок 2). В профиле участки расположены на спуске крутиз Изучение горизонтальных неровностей пути в плане производилось по принципу измерения стрел изгиба от хорды 6. = 20 м через каждые 5 м, два раза в год после наработки 50-70 Мт брутто груза.2 Анализ функции распределения горизонтальных неровностей в плане незагруженного пути (рис. 2.1) показывает, что распределение неровностей приближается к нормальному закону Гаусса. Если обозначить случайное воздействие горизонтальных неровностей через П. ( t ) , то при гауссовском распределении плотность вероятности будет определяться выражением
Пользуясь табл.ХШ [ 50 ] , находим табличные значения при = II ( 19, 67, 24, 72, 31, 26 ). Сравнивая эти значения с найденными, видим, что табличные значения критериев во всех случаях больше найденных. Это показывает хорошее согласие опытной и теоретической кривой.
Так как многие параметры модели пути являются случайными, то для их описания необходимо задавать закон совместного распределения вероятностей, либо для приближенного описания поведения системы заменять законы распределения вероятностей некоторым ограниченным набором статистик (математическое ожидание, дисперсия, коэффициент вариации).
Поэтому, для конкретного натаботайного тоннажа определялись математические ожидания, дисперсия и коэффициент вариации прогибов и напряжений.Результаты измерения стрел в плане даны в приложении I (табл.П.1.1). Числовые характеристики случайных величин горизонтальных неровностей в плане приведены в табл. 2.2. Данные таблицы 2.2 показывают, что стрелы горизонтальных неровностей в плане растут с увеличением наработанного тоннажа. Особенно интенсивно расстраивается путь в кривом участке пути. Так, например, математическое ожидание стрел неровностей в плане в кривом участке, после наработки 120 Мт брутто после начала наблюдений увеличилось на 9 мм.
Напряжения, вызванные неровностями пути в плане, определенные по формуле ( 2.41 ), приведены в табл. 2.3.Таблица 2.3Числовые харак- Напряжения, вызванные искривлением ральсов втеристики слу- плане после наработки тоннажа, Мт брутто грузачайных величин напряжения Кривая (R =600м) Прямая- 37 -тайного тоннажа.
Аппроксимируя процесс изменения ординат неровностей в плане и напряжения, вызываемых этими неровностями, в зависимости от наработанного тоннажа, получим следующие уравнения, которые даны в табл. 2.4.
Пользуясь этими зависимостями, можно определить значения стрел неровностей незагруженного пути в плане и напряжений, вызванных этими неровностями.
Для исследования напряжений , вызванных наличием неровностей незагруженного пути в вертикальной плоскости были выбраны участки с одинаковыми условиями эксплуатации, но с различным наработанным тоннажом. На всех выбранных участках был уложен бесстыковой путь с рельсами Р65, железобетонными шпалами С-56-2 в количестве 1840 шт/км на прямой и 2000 шт/км в кривых К 1200 м, промежуточными скреплениями КБ с кордонитовыми подрельсовыми прокладками, щебеночным балластом толщиной 35-40 см под шпалой.
На первом участке с момента капитального ремонта наработано 150 Мт брутто и расположен он в кривой R = 600 м, а второй учас - 38 -ток отличается от первого участка только тем, что расположен на прямой. По третьему участку пропущено 500 Мт брутто, а по четвертому - 700 Мт брутто груза. По выбранным участкам обращается типовой подвижной состав. Нагрузка на оси грузовых вагонов приказом МПС установлена 230 кН/ось. Скорость установлена 22 м/с - для грузовых поездов и 25 м/с - для пассажирских.
Профиль неровностей незагруженного пути был измерен с помощью нивелира Н-3 через каждые 5 м пути на первых трех опытных участках, а на четвертом через 1,1 м. Общая протяженность выбранных участков составляет 2,65 юл. Данные нивелировки приведены в приложении 2.
Величина стрелы т неровностей незагруженного пути в соответствии с рис. 2.2 вычисляется по формуле
Методика исследования основных расчетных характеристик бесстыкового пути
Для определения сопротивления бесстыкового пути продольным деформациям при длительной эксплуатации были проведены эксперименты на опытном участке Целинной железной дороги. Характеристика опытного участка: рельсы Р65, шпалы железобетонные типа С-56-2, скрепления типа КБ с одновитковыми шайбами, размеры и очертания балластной призмы из щебня соответствуют типовому профилю. Степень загрязнения балласта более 40%. Наработанный тоннаж после ремонта составил 600 Мт брутто. Во время экспериментов балласт находился в сухом и сильно уплотненном состоянии. По перегону, где находился опытный участок, установлена скорость движения пассажирских поездов 28 м/с, а грузовых 22 м/с. Поезда сопровождаются тепловозами 2ТЭ10В с осевой нагрузкой 210 кН/ось. Длягрузовых вагонов установлена повышенная осевая нагрузка 230 кН/ось, а перегрузка в отдельных случаях достигает 270 кН/ось. Перевозимые грузы в основном уголь и нефть.
Для определения снижения погонного сопротивления при сильном увлажнении, балласт смачивался водой до полного насыщения.
Эксперименты по определению напряжений продольным перемещениям рельсов проводились на действующем пути в "окно".Для сдвига рельсов вдоль оси пути использовали гидравлические разгоночные приборы типа РН-01, оборудованные манометрами, Переме -щения рельсов фиксировались индикаторами часового типа, с ценой деления 0,01 мм. Общий вид установки для сдвига рельсового звена показан на рис. 3.1.
Перед началом эксперимента все клеммные и закладные болты закручивали моментом 150 Нм.
Эксперименты проводились в следующей последовательности: после установки индикаторов и разгоночных приборов, первый отсчет брался при нагрузке 2,5 кН, затем с интервалом через 2,5 кН брались отсчеты по индикаторам до достижения предела сопротивления -- до срыва,
Для наблюдения за продольными перемещениями пути часто используются самописцы непрерывной записи перемещений. Продольные сдвижки пути, вызываемые колебаниями температуры, характеризуют собой напряженное состояние рельсов, дают представления о погонных сопротивлениях.
Этот метод определения погонного сопротивления впервые применен М.Т.Членовым [19] еще в 1934 году. При опыте, фактические деформации концов рельсовых плетей регистрировались мессура-ми, установленными на свайках. Измерения производились каждый раз после изменения температуры рельса на 1С. Однако эти опыты проводились с перерывами на ночь. Такие перерывы значительно уменьшают ценность и точность опытов, поэтому опыты следует производить непрерывно, причем для наибольшего эффекта необходимо производить опыты в дни с большей амплитудой колебания температуры.
В работе [ 24 ] изложена методика определения стыковых и погонных сопротивлений температурным деформациям рельсовых плетей бесстыкового пути.
Эксперимент по определению погонных сопротивлений по этому методу был проведен на бесстыковом пути со следующими характеристиками: рельсы Р65, шпалы железобетонные типа С-56-2, скрепления типа КБ с двухвитковыми шайбами, размеры и очертания балластной призмы из щебня соответствуют типовому профилю. Степень загрязне:-ния балласта - 15%. Во время экспериментов балласт находился в сухом и уплотненном состоянии. По участку со времени капитального ремонта пропущено 300 Мт брутто груза.
Перемещения концов плетей бесстыкового пути записывались при помощи самописцев конструкции НИИЖТа. Приборы были установлены на восьми концах рельсовых плетей с одновременной записью температуры рельсов. Схема установки измерительных приборов приведена на рис. 3.2.
По данным записи перемещений концов плетей получены А 1д , Л lg и Я при "бытовом" натяжении болтов, т.е. при натяжении стыковых и клеммных болтов , которые имеют место в процессе эксплуатации пути, а также при натяжении гаек клеммных и закладных болтов крутящим моментом 150 Нм, стыковые болты при этом затягивались крутящим моментом 450 Нм.
На рис. 3.3 показана запись перемещений конца рельсовой плети № 2 за 12 июля 1980 г. На рис. 3.3 можно выделить участки СД, ДА, АВ и ВС. На участках СД и АВ длина плети практически не изме нилась. На участке ДА конец плети переместился на величину ЛА . По записи (рис. 3.4) определим изменения температуры, соответствующие по времени СД, ДА, АБ и ВС. Так, периоду АВ соответствует изменение температуры на 3С; периоду ВС 33С и периоду СД - бС. Зная изменения температуры, перемещений, определим сопротивления температурным деформациям.Как известно, при замерзшем балласте сопротивление сдвигу шпал столь велико, что возможен сдвиг рельса по подкладкам при неподвижных шпалах. В этих случаях определяется погонное сопротивление сдвигу рельса по подкладкам - сопротивление проскальзыванию.
Погонное сопротивление сдвигу рельса по подкладкам зависит от типа и конструкции скреплений, от величины сил прижатия подошвы рельса клеммами , от материала и состояния прокладок - амортизаторов. Исследования влияния типа и состояния прокладок на величину погонных сопротивлений продольным деформациям определялись на стенде НИИЖТа, показанном на рис. 3.5. Рельс на стенде укладывался на шести полушпалах, замоноличенных в бетон, и закреплялся скреплениями КБ. В левой части стенда располагался второй рельс, который упирался в неподвижную опору. Испытываемый рельс с помощью специального гидравлического прибора сдвигался в правую часть стенда.
Нагрузка, создаваемая гидравлическим прибором, фиксировалась образцовым динамометром Д0СМ-5-І, установленным между торцом рельса и упором. Перемещение рельса относительно подкладок и шпал измерялось индикаторами часового типа ИЧ-10. Также измерялись пе
Оценка максимальных значений погонных сопротивлений продольным перемещениям рельсов
Максимальные значения погонных сопротивлений определяются конструкцией и материалом, из которого изготовляются промежуточные рельсовые скрепления, и ограничиваются прочностью прикрепите-лей клемм и клеммных болтов.
Промежуточные скрепления, выполняя функцию связывающего элемента между рельсом и его основанием, участвуют в общих деформациях рельсовых опор под нагрузкой и при этом играют важную роль в формировании погонного сопротивления продольным перемещениям. Величина погонных соротивлений продольным перемещениям рельсов зимой, когда шпалы не подвижны и перемещение идет по подкладкам, зависит от натяжений клеммных и закладных болтов.
Выход клеммных и закладных болтов в процессе эксплуатации не значителен. Следовательно, усталостные процессы не играют особо важной роли. Максимальный уровень напряжений определяется монтаж ным натягом клемм. Поэтому клеммные и закладные болты допустимо расчитывать на прочность по условиям статического загружения. При затягивании гаек бывают случаи скручивания стержней. Это обуслов ливает необходимость проверки прочности на совместное действие нормальных и касательных напряжений. Условие прочности болта за пишется так , \ ) Скручивающие напряжения значительно увеличиваются с увеличением трения в резьбе. Исследования многих авторов показали, что в случае загрязненности резьбы или наличия на витках ржавчины, коэффициент трения в резьбе увеличивается до 0,5 и больше.
Максимальная нагрузка, разрушающая стержень болта в его резьбовой части, определяется из условия где KU3r - коэффициент, учитывающий увеличение предела текучести при изгибе по сравнению с его значением, полученным при растяжении. В настоящее время клеммные и закладные болты изготавливаются из углеродистой стали обыкновенного качества марки СТ-5 по ГОСТу 380-71 или из стали для холодной высадки марки 20КП по ГОСТу 10702-78. В табл. 4.6 приведены, вычисленные по формуле ( 4.II ), максимальные нагрузки для клеммных и закладных болтов при различных коэффициентах трения. Из анализа данных табл. 4.6 следует, что нужно всемерно стремиться к уменьшению трения в резьбе за счет тщательного ее выполнения, защиты ее от загрязнения и коррозии, а также за счет введения специальных смазок, не теряющих своих смазывающих свойств в условиях работы резьбы. Осевое усилие в клеммных (или закладных) болтах в зависимости от величины крутящего момента теоретически можно определить по формуле ( 3.30 ). Силу нажатия клеммного и закладного болтов можно определить также экспериментально. В эксперименте сила натяжения клеммных и закладных болтов определялась посредством наклейки на них тензо-датчиков. Последние были расположены в одном диаметральном сечении на противоположных сторонах стержня болта. Соответствующим включением этих датчиков в мостик Уитсона обеспечивалось получение непосредственных показаний величины монтажной силы А. Для этого измерительные болты были предварительно оттарированы. Общая схема болта с показанием имеющихся в нем датчиков, а также схема включения их в мост показана на рис. 3.10. Статические характеристики сил натяжения клеммных и закладных болтов приведены в табл. 4.7. где І L - расстояние между шпалами. Максимальные значения сопротивлений ГПДХ , подсчитанные по формуле ( 4.15 ) с учетом коэффициентов трения, определенных опытным путем, и значений Aj X , взятых из табл. 4.6, В клеммах промежуточных скреплений монтажные напряжения обусловлены передачей осевого усилия в стержне болта через шайбу на спинку клеммы. При проходе колес подвижного состава над скреплениями монтажное напряжение уменьшается. Поэтому прочность клемм можно оценивать по результатам статического загружения. Клемму КБ будем рассматривать как раму на двух опорах с нагрузкой, приложенной у болтового отверстия Срис.4.1а). Учитывая, что при затяжке болта один конец клеммы скользит по подошве рельса, а другой по подкладке, определим опорные реакции с учетом сил трения. Взяв сумму моментов относительно точки А и В, а также сумму проекции на вертикальную ось, получим: _RA = 0,618 А ; RB = 0,43 А ; Р = 5,23-10-3 А . Зная опорные реакции, построил эпюры моментов (рис.4.16). Изгибающие моменты в точках Е и 0 будут равны: соответственно равны: ОР= 38,6 А Па, UQ = 27,2 А Допускаемая нагрузка, которую можно безопасно приложить к клемме, определяется из условия: Откуда [б] = 38,6 А (Па). Здесь Г б 1 " Допускаемое напряжение изгиба в стенке клеммы скрепления КБ. Принимаем [_OJ = 216,0 МПа [84J, Тогда Ашах= 38 кН и Mmdx= 240 Нм. Зная максимальное осевое усилие -Ат(ал , можем определить погонное сопротивление по форглуле ( 4.15 ). Результаты подсчета приведены в табл. 4.10. жесткими клеммами обладают большими резервами для повышения погонных сопротивлений перемещениям рельса. Однако, учитывая то, что в дальнейшем все шире будут применяться скрепления с упругими клеммами, прочность и выносливость которых значительно ниже, чем у жестких клемм, устанавливать величину погонных сопротивлений выше 25 кН/м окажется нецелесообразным. 4.3. Оценка максимальных величин стыковых сопротивлений. Максимальные значения стыковых сопротивлений определяются прочностью стыковых болтов. Зная геометрические размеры и механические свойства стыковых болтов можно определить максимальную затяжку стыковых болтов из условия прочности болтов. В табл. 4.II приведены, вычисленные по формуле, максимальные усилия затяжки стыковых болтов при различных коэффициентах трения,
Оценка наделшости железобетонных шпал бесстыкового пути при длительной эксплуатации
В процессе эксплуатации при динамическом и климатическом воздействиях в железобетонных шпалах происходят физико-химические и механические изменения,приводящие к различным случайным повреждениям.
Следовательно, работу шпал в эксплуатационных условиях целесообразно изучать на основе вероятностных методов с применением математической статистики.Для сбора данных об отказах железобетонных шпал были выбраны опытные участки пути, характеристики которых даны в табл. 5.1.
Отказавшими железобетонными шпалами считались те, которые имели дефекты II, 12, 16, 18, 41 по действующей классификации - поперечные в подрельсовои части шпалы, а также поперечные изломы шпалов в подрельсовои части с разрушением бетона в сжатой зоне или с разрывом арматуры.
По материалам натурной проверки шпал на опытных участках определены частоты отказов, которые даны в табл. П.II.7. В качестве закона распределения времени безотказной работы шпал используем нормальное распределение, тогда для определения параметров 1ср и U можно применить метод квантилей в сочетании с методом наименьших квадратов по формулам 5.7 и 5.8. Результаты подсчета сведены в табл. 5.7.
Вероятность безотказной работы железобетонных шпал для наработки от 100 до 600 Мт. брутто (время проведения капитального ремонта) приведены в табл. 5.5. Согласно нормативным документам, поперечная устойчивость рель совых нитей и всей рельсо-шпальной решетки обеспечивается, если нет кустов из- трех негодных шпал. В соответствии с этими требованиями рассмотрим схему,состоящую из последовательно соединенных элементов, каждый из которых имеют по два резервных нагруженных элемента. В табл. 5.6 даны результаты подсчета безотказной работыпоперечных связей рельсов с основанием.
Результаты расчета показывают, что железобетонные шпалы имеют высокую вероятность безотказной работы. Вероятность безотказной работы железобетонных шпал зависит от наработнанного тоннажа и от зоны размещения (середина плети, уравнительные пролеты). Шпалы лежащие в середине плети имеют большой срок службы и могут повторно использованы.
В связи с широким распространением на сети дорог бесстыкового пути на железобетонных шпалах возникла необходимость в проведении анализа эксплуатационной надежности рельсо-шпальной решетки.
Различные условия эксплуатации и разные функции,выполняемые каждым из элементов решетки, а также использование различных материалов на их изготовление обусловили наличие очень широких диапазонов надежности, которой обладают отдельные элементы конструкции.
Результаты исследования полученные выше позволяют определить эксплуатационную надежность рельсо-шпальной решетки бесстыкового пути в условиях Целинной железной дороги.
В табл.5.7 даны статистические характеристики наработки элементов рельсо-шпальной решетки до отказа.- 208 - 209 Полученные результаты показывают, что наиболее слабым местом являются уравнительный пролет. Вероятность безотказной работы уравнительного пролета на 4,8 раз меньше, чем вероятность безотказной работы рельсовой плети.
Достаточно высокий уровень безотказной работы сохраняется в процессе наработки 600 М.т брутто груза у рельсо-шпальной решетки, эксплуатируемых в средней части рельсовых плетей ( Р 0,8 ). Наличие уравнительного пролета снижает вероятность безотказной работы бесстыкового пути в целом. Например, вероятность безотказной работы после наработки 600 М.т брутто груза снижается до 0,4362. Для повышении надежности бесстыкового пути необходима замена негодных элементов скреплении при проведении подъемочного или среднего ремонта пути.1. Техническое состояние бесстыкового пути в эксплуатации наиболее полно характеризуется результатами контроля совокупности параметров, опредеяющих их работоспособность. Для анализа надежности можно использовать сведения об отказах элементов в условиях реальной эксплуатации. Параметром надежности является средний срок службы 1 СР или вероятность безотказной работы Рср2. Надежность бесстыкового пути определяется прежде всего наработанным тоннажом, зоной размещения (середина плети, уравнительные пролеты), степенью засорения балластного слоя, осевыми нагрузками, скоростью обращения поездов.3. Элнменты верхнего строения бесстыкового пути интенсивно начинают изнашиваться и выходить из строя после наработки 400-- 500 М.т брутто груза, Осо бенно значительному-износу и выходу подвержены электроизолирующие и амортизирующие элементы скрепле ния. Выход рельсов в уравнительном пролете при наработке 847 М.т брутто груза в II раза больше, чем выход в середине плети, а выход элементов среплений типа КБ на уравнительных пролетах оказался в 1,3 - 2,7 раза выше, чем в средней части плети.4. Оценка надежности рельсо-шпальной решетки бесстыкового пути при длительной эксплуатации показала, что наиболее слабым местом являются уравнительный пролет. Вероятность безотказной работы уравнительного пролета в 4,8 раз ниже., чем вероятность безотказной работы рельсовой плети постл пропуска 600 М.т брутто груза. Для повышения надежности рельсо-шпальной решетки необходима замена негодных элементов при проведении подъемочного или среднего ремонта пути.
Выполненные исследования направлены на получение закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния бесстыкового пути, определение параметров стыковых и погонных сопротивлений продольным перемещениям рельсов при длительной эксплатации и установление их рациональных параметров. В работе дана оценка надежности отдельных элементов верхнего строения бесстыкового пути и путевой решетки в целом. Полученные результаты исследований позво-лют судить о работоспособности бесстыкового пути, рационально проектировать элементы верхнего строения. Установленные оптимальные параметры стыковых и погонных сопротивлений позволяют снизить эксплуатационные расходы.
Основные итоги работы заключаются в следующем:I. Процессы старения бесстыкового пути носят случайный характер и являются функцией времени или наработанного тоннажа. О процессах старения пути можно судить непосредственно по изменению напряженно-деформированного состояния пути в конкретных условиях.
Напряженно-деформированное состояние рельсовых плетей с увеличением наработанного тоннажа изменяется вследствие изменения геометрии рельсовой колеи, нарастания неравноупругости подрельсового основания, угона рельсов. Функция распределения этих величин приближается к нормальному закону Гаусса.
