Введение к работе
Актуальность. С точки зрения провозной способности дорог привлекательными выглядят мероприятия: увеличение массы поездов, скоростей движения и осевых нагрузок. В то же время следует учитывать падение грузопотоков по всем направлениям и, соответственно, реальных доходов железных дорог, прежде всего направляемых на реконструкцию и модернизацию сети, закупку подвижного состава. Проблема повышенных осевых нагрузок остаётся актуальной на ряде грузонапряжённых рудовозных направлений и вероятно обострится с ростом потребности в перевозках.
Стоит задача исследовать влияние повышенных осевых нагрузок, особенно на железнодорожный путь, работающий в сравнительно неблагоприятных условиях, где больше возможностей для остаточных деформаций, сильнее проявление природных факторов. В то же время способность элементов ВСП воспринимать динамические силы, особенно по контактно-усталостной прочности, ограничена. Имеющиеся факты указывают на значительное ускорение в тяжелых условиях накопления остаточных деффмаций и дефекгообразования.
Стрелочные переводы являются наиболее сложной конструкцией в путевом хозяйстве. Здесь имеются специфические зоны перекатывания, где воспринимающее удар сечение имеет ширину поверху всего 20-40 мм. При этом динамическая сила может достигать значений 30-60 т от колеса. Возникает так называемая "проблема близости краёв сечения" со свободной возможностью деформации металла вблизи контактной зоны.
Цель работы - исследование состояния основных частей стрелочных переводов при воздействии нагрузок 250-300 кН/ось, определение их эксплуатационного ресурса, расчёты напряжённо-деформированного состояния контактной зоны с учетом близости боковых граней и пластичности для прогнозирования развития дефектов и оптимизации поперечных сечений, а также разработка мер для увеличения срока службы элементов переводов.
В соответствии с этим в настоящей работе решались задачи :
О сбор, обработка и оценка фактического материала о геометрических параметрах, износе и дефектности стрелочных переводов промышленного полигона ПО "Апатит" в Мурманской области, сравнение их
с данными по магистральным линиям МПС;
Н разработка методов прогнозирования эксплуатационного ресурса частей переводов по износу и дефектности, в том числе на ЭВМ;
В использование методов теории упругости и пластичности для расчёта контактной задачи в зонах перекатывания перевода;
И получение и анализ контактных отпечатков по осграковому рельсу и кре-сговинескоррекпфовкой деформаций и напряжений по вертикальной оси.
В основе исследований положены теоретические и экспериментальные работы по стрелочным переводам СВ.Амелина, Б.Э.Глюзберга, Э.И.Дани-ленко, Г.В.Зоткина, ЛГ.Крысанова, Н.ШТутри, В.В.Рыбкина, И.И.Семёнова. М.П.Смирнова, Г.М.Шахунянца, В.Ф.51ковлева и данные ЦНИИТЭИ о работе железных дорог США и Канады при нагрузках до 35 т/ось. Для расчётов контактной задачи были также исаользованы труды Н.М.Беляева, М.М.Саверина, В.В.Соколовского, других учёных, а также программный комплекс СПбПУ на языке "Фортран" для анализа напряжённо-деформированного состояния с помощью метода конечных элементов (МКЭ).
Решение поставленных задач производится комплексным методом: путём изучения литературы проанализированы возможности расчёта; натурные наблюдения дали характеристику эксплуатационных условий и статистику изменения состояния стрелочных переводов; теоретические разработки по расчёту напряжений позволяют более точно прогнозировать их состояние; методом контактных отпечатков в лаборатории определены слабьк и наиболее подверженные дефектам места элементов, которые подлежат расчёту по контактным напряжениям и усовершенствованию; с помощьк ПЭВМ прогнозируется срок службы по износу и дефектам.
Научная новизна. Проанализированы интенсивность и особенносп-выхода из строя ответственных элементов стрелочного перевода при постоянном обращении вагонов с нагрузками 250-300 кН/ось отдельно по геометрическим параметрам, износу и дефектам. Разработаны методики прогнозг износа по полевым данным с помощью ПЭВМ и новые возможности опреде ления срока службы элементов по формуле для дефектности и графикам Рассчитаны модули упругости основания стрелочного перевода по осцилло граммам для кромочных напряжений.
Проведены имеющие определённую теоретическую ценность и пракга-
ческий выход на дефектность расчёты напряжённо-деформированного состояния элементов при близости края или узости сечения с учётом пластических деформаций. Экспериментально исследованы контактные площадки в зонах перекатывания остряка и крестовины. Выносимые на защиту методики расчёта контактных напряжений и деформаций по упруго-пластическим задачам, по контактным отпечаткам с учётом пластичности впервые применены для решения данной проблемы, а решение по МКЭ учитывает все многообразие условий контакта для узких сечений переводов.
Научно обоснована повышенная интенсивность накопления остаточных деформаций в элементах перевода, что позволило прогнозировать наработку их до ремонта или замены. Расчёты износа и контактных напряжений проведены в частности по прикладным программам автора на языке "Паскаль".
Достоверность. Предлагаемые методы определения эксплуатационного ресурса, расчёта напряжений, варианты снижения динамических сил, перераспределения нагрузок, повышения долговечности конструкций основаны на современных теориях механики деформируемого тела и расчёта пути на прочность. Удовлетворительная сходимость результатов теоретических расчётов и опытов как по ресурсу элементов, так и по контактным напряжениям свидетельствует о достоверности исходных предпосылок и материалов экспериментально-теоретических разработок, на которых строятся основные научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы.
Практическая ценность работы заключается в возможности использо
вания её результатов для прогнозирования сроков службы основных элемен
тов переводов по износу и дефектности - оптимально отражает процессы
смятия, истирания и перенаклёпа в металле формула Н=а^Г+ЬТ+с1*'.
Результаты работы могут использоваться для проектирования поперечных сечений остряка и крестовины, продольного профиля крестовины, зон и глубины упрочнения металла при повышенных осевых нагрузках.
Внедрение в практику планирования ресурса стрелочных переводов новых коэффициентов для вычисления нормативных сроков службы стрелок и крестовин при нагрузках 240-300 кН/ось посредством корректировки соответствующих документов позволит повысить эффективность текущего содержания на многих участках сети. По распределению напряжений и деформаций возможен подбор оптимальных характеристик стали по сечению элемента,
обеспечивающих конгакгао-усталостную, изгибную прочность и упругость.
Апробация работы. В основу диссертации положены исследования, проведённые кафедрой "Железнодорожный путь" ЛИИЖТа на промышленной железной дороге ПО "Апатит". Автор проводил также специальные обмеры элементов и опыты по получению контактных площадок в лаборатории института. Основные положения и результаты работы доложены и получили одобрение на'
Неделе науки по кафедре "Железнодорожный путь" (ЛИИЖТ, 1991г.);
Неделе науки по кафедре "Строительная механика" (ПИИТ,1993г.);
Третьей международной конференции по проблемам прочности материалов и сооружений на транспорте (111 УПС, 1994г.);
заседаниях кафедры "Железнодорожный путь"(ПГУПС,1994-97гг.).
В трёх отчетах по теме №447 НИР "Разработка этапов усиления конструкции верхнего строения пути линии Рудная - Вудъявр на период реконструкции её при увеличении объёма перевозок до 30-35 млн. т брутто в год Анализ технического состояния и ресурса работы рельсов, шпал, балласта и стрелочных переводов" для ПО "Апатит", выполненных в 1990-1992 гг. Бюро пути ЛИИЖТа с участием автора, даны оценки состояния стрелочных переводов и их эксплуатационного ресурса с рекомендациями по текущему содержанию. Результаты исследований использованы службой пути Жеядсрцеха.
В результате технико-экономического анализа установлена эффективность удаления площадок контакта от боковых граней с периодической шлифовкой, лубрикации поверхности катания в зонах перекатывания полутвёрдой смазкой, укладки прокладок толщиной 10-14 мм под подошву, лафет или подкладки крестовины и других предложений.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 отдельные работы.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, общих выводов и предложений в виде заключения, списка литературы и четырёх приложений. Объем работы составляет 253 страницы, включая 45 страниц рисунков, 188 страниц основного текста с 53 таблицами, 39 рисунками и 6 фотографиями в тексте, 19 страниц приложений. В процессе работы над диссертацией использован 151 литературный источник, из них 9-ю иностранном языке.