Введение к работе
Актуальность проблемы. Во всем мире значительное внимание уделяется вопросам разработки новых прогрессивных ресурсосберегающих и малообслуживаемых конструкций верхнего строения пути и совершенствованию деталей существующих, повышению их надежности и долговечности. В России также ведутся исследования в этом направлении, особенно актуальные в настоящее время, в связи с переходом к рыночным отношениям, компьютеризацией и внедрением современных расчетных методов в практику проектирования, появлению и использованию новых материалов и технологий в производстве.
Одной из важнейших проблем в области верхнего строения пути на протяжении длительного времени является проблема передачи нагрузки от рельса на подрельсовое оснований, которую выполняют рельсовые скрепления. О повышенном внимании к ней свидетельствует то, что в реферативных журналах ежегодно публикуются сообщения о патентах на 10-15 новых конструкций рельсовых скреплений, причем проявляется тенденция к их усложнению, что приводит к необходимости применения для анализа их работы современных расчетных методов.
Стремительное развитие вычислительной техники привело к значительному прогрессу методов строительной механики, использующихся для расчетов различных сложных конструкций. Появилась возможность создания уточненных моделей работы конструкций, выяснение влияния различных факторов, быстрая проверка различных инженерных решений, оптимизация параметров путем многовариантных расчетов, что позволяет сократить путь от идеи до ее практической реализации.
Тема диссертации тесно связана с отраслевыми научно-техническими программами по путевому хозяйству, некоторые работы выполнялись по заказам ВНИИЖТа и железных дорог, а также в рамках государственной научно-технической программы " Проведение комплекса исследований по созданию системы высокоскоростного железнодорожного транспорта и технических средств для высокоскоростной магистрали".
Целью работы является разработка и применение приближенных расчетных схем, основанных на методе конечных элементов. для компьютерного моделирования напряженио-деформиронанного состояния деталей рельсовых скреплений с целью их совершенствования и при разработке новых конструкций.
К основным задачам исследования относятся.
Разработка и применение уточненных моделей и методик расчета на прочность деталей промежуточных рельсовых скреплений -пружинных противоугонов, подкладок для деревянных и железобетонных шпал, клемм нового рельсового скрепления для высокоскоростных магистралей, проведение и анализ результатов многовариантных расчетов напряженно-деформированного состояния этих деталей при различных конструктивных изменениях с выработкой рекомендаций для практического использования, экспериментальные исследования разработанных конструкций, внедрение полученных результатов в производство.
Методика исследований. Для решения поставленных задач используется метод конечных элементов ( МКЭ ) в перемещениях. Программы численной реализации алгоритмов отлажены и опробованы на решении тестовых садг^. Для проверки теоретических результатов автором проведены экспериментальные исследования противоугонов ряда конструкций и клемм нового скрепления.
Научная новизна. Разработана методика и предложены новые расчетные схемы для определения напряженно-деформированного состояния пружинных противоугонов произвольного продольного и поперечного очертаний как плоских кривых брусьев, подкладок для деревянных шпал на вертикальную и боковую нагрузки как тонких пластинок переменной толщины на упругом винклеровском основании с учетом трения подкладок по основанию и податливости костылей, подкладок для железобетонных шпал как пластинок переменной толщины на равноупругом и неравноупругом основании, двух видов клемм нового скрепления как пространственных многовитковых кривых брусьев.
Составлены итерационные алгоритмы и отлажены программы расчетов на ЭВМ методом конечных элементов противоугонов и подкладок. Проведены многовариантные расчеты деталей скреплений при различных конструктивных изменениях, выполнен анализ результатов и выработаны рекомендации по их практическому использованию.
Предложен вариант конструкции нового безболтового малооб-служиваемого упругого рельсового скрепления для высокоскоростных магистралей и его клемм, проведены многовариантные расчеты напряженно-деформированного состояния двух видов клемм этого скрепления. Изготовлены 26 симметричных клемм различных вариантов. Проведены экспериментальные исследования некоторых из этих клемм.
Разработаны и изготовлены макетные образцы устройств длп ручной "мягкой" установки противоугонов на рельс и для монтажа клемм безболтового скрепления в рабочее положение, макетный образец безболтового скрепления.
Практическая ценность работы. Применение уточненных'расчетных схем позволяет вскрывать резервы, более обоснованно проводить совершенствование и находить более экономичные и менее материалоемкие решения для деталей скреплений. Разработанный автором противоугон усовершенствованной конструкции вошел в новые технические условия ТУ-32-ЦЛ-811-95 и внедрен в производство. Экономический эффект от применения этой конструкции составляет около 4-х млрд. руб в год ( на 01.02.1997г.) только за счет экономии высококачественной пружинной стали, идущей на их изготовление.
Результаты расчетов подкладок используются ВНИИЖТом и ПТКБ ЦП при разработке конструкторской документации на изготовление костыльных подкладок для кривых участков пути и подкладок скрепления БПУ.
Новое малообслуживаемое упругое рельсовое скрепление является безболтовым, малодетальным, экономичным по материалоемкости и эксплуатационным расходам, обеспечивает стабильность прижатия рельсов к основанию и надежную электроизоляцию рельсов от шпал, при доработке может найти широкое применение в новых конструкциях пути.
Разработанное автором устройство для ручной "мягкой" установки противоугонов на рельс увеличивает срок более надежной работы противоугонов в 1.2-1.3 раза, устройство для монтажа клемм нового рельсового скрепления не имееет аналогов и позволяет быстро приводить клеммы в рабочее положение.
Реализация результатов работы. Результаты исследований и .
разработки конструкции усовершенствованного противоугона облег
ченной конструкции реализованы во " Временных технических
требованиях на изготовление опытной партии противоугонов
ПШ65-3 и ПШ65-4 к ' железнодорожным рельсам типа Р65
( ОП ТТ1-87 )", в " Технических требованиях на изготовление пру
жинных противоугонов сечением 22x22 мм к железнодорожным
рельсам Р65 ( ТТ1-89 ) ", в технических условиях " Противоугоны
пружинные уменьшенного сечения к железнодорожным рельсам.
Опытная партия. ТУ-14-4-1224-83. Изменение N91,", в технических
условиях " Противоугоны пружинные к железнодорожным
рельсам. ТУ-32-ЦП-811-95. ( Введены впервые ). Срок введения с 01.07.95. МПС РФ, М., 1995".
Результаты исследований подкладок для деревянных и железобетонных шпал использованы ВНИИЖТом и ПТКБ ЦП при разработке конструкторской документации на их изготовление.
Результаты исследований нового безболтового упругого скрепления для высокоскоростных магистралей используются ВНИИЖТом и французской фирмой STEDEF.
Апробация работы. Основное содержание работы, а также
отдельные ее положения и разделы докладывались и были одобре
ны: на совещаниях в техническом отделе ЦП МПС СССР,
(г. Москва, 1987-1990 гг.), на научно- технических совещаниях лабо
ратории рельсовых скреплений ВНИИЖТа (1986-1992 гг), на научно-
технических совещаниях лаборатории крепежных изделий
ВНИИМетиза и технического отдела Магнитогорского калибровочно
го завода ( г. Магнитогорск, 1986-1992 гг.), на научно-техническом
совещании в РАО " Высокоскоростные магистрали " ( г. Ленинград,
1993г. ), на научно-технических конференциях НИИЖТа - СГАПСа
(1976-1997 гг.) , на заседаниях кафедр " Высшая математика " и
" Путь и путевое хозяйство " НИИЖТа-СГАПСа в 1990-1997гг.,
на переговорах с французской фирмой STEDEF.
Публикации. По результатам выполненных исследований, изложенных в диссертации, опубликовано 14 статей в сборниках научных трудов и научно- технических журналах и выполнено 13 научно-технических отчетов.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 196 страниц, в том числе 113 страниц основного текста, 54 рисунка, 29 таблиц. Список использованных источников содержит 125 наименований.