Ресурс основных элементов стрелочных переводов типов р50 и р65 марок 1/9 и 1/11 при обращении вагонов с нагрузкой от оси 250

Цикл статей:

Глава 1 — Ресурс основных элементов стрелочных переводов типов р50 и р65 марок 1/9 и 1/11 при обращении вагонов с нагрузкой от оси 250 — 300 кн
Глава 2 — Остаточные деформации металлических элементов стрелочных переводов и их эксплуатационный ресурс
Глава 3 — Динамические испытания на путях промышленного полигона
Глава 4 — Состояние и перспективы расчёта контактной задачи «колесо-рельс»
Глава 5 — Численные методы решения контактной задачи в зонах перекатывания стрелочных переводов
Глава 6 — Применение контактных отпечатков к определению напряжённо-деформированного состояния контактной зоны конструкций с учётом пластичности и близости боковых граней элементов
Глава 7 — Определение экономической эффективности предложений по увеличению эксплуатационного ресурса

Введение

Железнодорожный транспорт в Российской Федерации является основным связующим звеном экономики. На него приходится около 70% грузовых перевозок и 50% пассажирооборота в пределах страны.

В связи с развитием рыночных реформ и наличием проблем этого переходного этапа перед железными дорогами стоят задачи экономии ресурсов, с одной стороны, и повышения производительности труда — с другой. Экономичность подразумевает долговечность конструкций, минимизацию затрат на их производство и установку, а также надёжность в эксплуатации. Повышение производительности труда возможно за счёт увеличения провозной способности грузонапряжённых направлений при оптимизации численности персонала даже с минимальными капитальными вложениями — путём полного использования всех ресурсов.

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 ру- довозных 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 тяжёлых условиях накопления остаточных деформаций и дефектообразования.

Стрелочные переводы являются наиболее сложной конструкцией в путевом хозяйстве. Здесь имеются специфические зоны перекалывания, 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.

Пути решения. Проблема воздействия повышенных осевых нагрузок на путь решается, с одной стороны, анализом роста износа и дефектности, а также упругих и остаточных деформаций в процессе эксплуатации, имеющих непосредственное отношение к прогнозу сроков службы элементов. С другой стороны, необходим более точный аппарат расчёта контактных напряжений в ослабленных частях стрелочного перевода, являющихся первопричиной снижения эксплуатационного ресурса остряков, рамных рельсов, крестовин по сравнению с путевым рельсом. Наконец, исходя из полученных результатов, ставится задача поиска конструкций и мероприятий, улучшающих условия эксплуатации и взаимодействия подвижного состава с частями стрелочных переводов.

На линиях МПС уже сейчас допустима осевая нагрузка, составляющая 24 т, а в условиях обращения рудовозных поездов часто имеет место перегруз до 27-30 т/ось. Для исследования более благоприятны специализированные грузовые линии промышленных предприятий с регулярным однообразным грузопотоком. Это облегчает выявление влияния высоких осевых нагрузок на элементы пути.

Решение поставленных задач производится комплексным методом: путём изучения литературы анализируются возможности расчёта; натурные наблюдения дают характеристику эксплуатационных условий и статистику изменения состояния стрелочных переводов; теоретические разработки по расчёту напряжений позволяют прогнозировать их состояние более точно; это проверяется путём динамических испытаний на полигоне, методом контактных отпечатков в лаборатории; определяются слабые и наиболее подверженные дефектам места элементов, которые подлежат усовершенствованию и расчёту по контактным напряжениям ; с помощью ПЭВМ прогнозируется срок службы по износу и дефектам.

Для натурных измерений на пути применялись контрольный путевой шаблон, штангельциркуль, микрометр на специальной раме для измерения износа. В рельсовой лаборатории установлен специальный пресс Армавирского машзавода с давлением до 3000т на сектор колеса Решение статистических и контактных задач потребовало применения ПЭВМ типа PC/AT286486 и программ на языках «Паскаль» и «Фортран».

План. Первая часть диссертации посвящена поиску зависимостей износа и дефектности от эксплуатационных факторов, характеристике работы стрелочных переводов, обоснованию норм и прогнозных сроков их работы при высоких осевых нагрузках. Полученные результаты сопоставляются с аналогичными данными для железных дорог МПС при Р ос.=150-200 кН/ось.

Во второй части рассмотрена теория аналитических и инженерных расчётов контактных напряжений для системы «колесо-рельс». Предложены варианты аналитических и численных методик расчётов для зон перекатывания стрелочных переводов, отличающихся от принятой схемы Герца- Беляева- Яковлева, приведены результаты некоторых из этих расчётов. Кроме этого описаны и проанализированы выполненные на лабораторном прессе исследования контактных площадок и напряжений по отпечаткам на копировальной и фотобумаге, а также динамические испытания, проведённые на тензометрической аппаратуре. Приводится сравнительный анализ теоретических и опытных зависимостей. На основании эксплуатации аналогичных конструкций для опытного применения рекомендованы усовершенствования по снижению интенсивности износа, по упругой переработке динамического воздействия, исходя из оптимизации процессов текущего содержания линий с повышенными осевыми нагрузками. Программы и численные результаты вынесены в приложение.

Научная новизна. Проанализированы интенсивность и особенности выхода из строя ответственных элементов стрелочного перевода при постоянном обращении вагонов с нагрузками 250-300 кН/ось отдельно по геометрическим параметрам, износу и дефектам. Научно обосновано ускорение накопления остаточных деформаций в элементах перевода. Разработаны и проверены методики прогноза износа по полевым данным с помощью ПЭВМ и новые возможности определения срока службы элементов по формуле для дефектности и графикам. Рассчитаны модули упругости основания стрелочного перевода по осциллограммам для кромочных напряжений.

Проведены имеющие определённую теоретическую ценность и практический выход на дефектность расчёты напряжённо-деформированного состояния элементов стрелочных переводов 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 поМКЭ учитывает все многообразие условий контакта для узких сечений переводов.

Расчёты износа и контактных напряжений проведены в частности по прикладным программам автора для ПЭВМ.

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 использования её результатов для прогнозирования сроков службы основных элементов переводов по износу и дефектности — оптимально отражает процессы смятия, истирания и перенаклёпа в металле формула к-а у^Г+ЬТ+сТ². 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 контактно-усталостную, изгибную прочность и упругость.

Апробация работы. В основу диссертации положены исследования, проведённые кафедрой «Железнодорожный путь» ЛИИЖГа на промышленной железной дороге. Автор проводил специальные обследования элементов и опыты 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 (ПГУПС,1994г.);
заседаниях кафедры «Железнодорожный путъ»(ПГУПС,1994-97гг.).

В трёх омётах по темам НИР для ПО «Апатит», выполненных в 1990-1992гг. с участием автора, даны оценки состояния стрелочных переводов и их эксплуатационного ресурса с рекомендациями. Результаты исследований использованы службой пути Жатдорцеха.

По теме диссертации опубликованы 3 отдельные печатные работы:

Петров А.Ю. Методы решения контактной задачи «колесо — рельс»: Тезисы на Неделе науки./ ПИИТ. — СПб,1993.
1. Петров А.Ю., Боровков А.И. Конечноэлементное исследование напряжённого состояния системы «Колесо- рельс» при заданной границе контакта: Тезисы к 3 международной конференции по проблемам прочности на транспорте./ ПГУПС. — СПб,1994.
1. Петров А.Ю. Состояние металлических частей стрелочных переводов при регулярном обращении поездов с осевыми нагрузками 250-300 кН./ ПГУПС. — СПб,1997 — 17 е.- Библиогр.: 10 наим. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 24.07.97, N 6107-Ж.

На защиту выносятся:

анализ износа и дефектности при повышенных осевых нагрузках, методика их прогнозирования и определения эксплуатационного ресурса;
способы расчёта напряжённо-деформированного состояния контактной зоны элементов стрелочного перевода аналитическими и численными методами теорий упругости и пластичности;
способы и данные экспериментального изучения деформаций, напряжений при уменьшенной ширине поверхности катания, модуля упругости основания перевода;
конструктивные и технологические предложения по снижению динамических сил, износа и дефектности, по оптимизации контакта колеса на стрелочном переводе.

В процессе работы над диссертацией использован 151 литературный источник, из них 9 — на иностранном языке.

Характеристика эксплуатационных условий работы переводов при повышенных осевых нагрузках

Осевые нагрузки до 300 кН и выше начали активно использоваться в период развития современной тяжёлой индустрии начала XX века. Причём на горнорудных предприятиях и смежных участках магистральной сети ввиду удалённости объектов требовались скорости 30-60 км/ч. Обычно применяется стандартная конструкция железнодорожного пути с ВСП тяжёлого типа, а особо высокие нагрузки, как например на пусковых комплексах космодрома Байконур, предопределили появление специального профиля рельсов. Проблема использования повышенных осевых нагрузок тесно связана с распространённым перегрузом вагонов на линиях МПС вблизи металлургических комбинатов, угольных разрезов и т. д.

Влияние повышенных нагрузок от четырёхосных полувагонов с грузом до 80 т исследовалось на полигоне ВНИИЖТа в Щербинке [16,61,121] при скоростях 60-70 км/ч и наработке 240 млн.т.в год. В результате получено ускорение контактно-усталостного дефектообразования, увеличение объёма выправки на 40 %, снижение срока службы элементов в 1,5-2 раза [14]. В 1986-89гг на линии доставки железорудных окатышей Костомукша- Петрозаводск со средней осевой нагрузкой от полувагонов 237 кН отмечались уположение откосов и уменьшение плеча балластной призмы, размочаливание концов брусьев и чрезмерная разработка костыльных отверстий. Исследованиями ДИИТа в районе Днепропетровского узла и на металлургических заводах [20,117] установлено, что при нагрузках 2829 т/ось существенно возрастают отклонения в содержании переводов по ширине колеи, в 1,5 раза ускоряется износ кривого остряка и крестовины, число дефектных и остродефектных элементов увеличивается на 40-50 %.

В США в 80-ых годах на опытном полигоне в Пуэбло применяли нагрузки до 1000 кН и скорости до 65 км/ч, а на сети дорог с 1962 г. 10 % четырёхосных вагонов имели грузоподъёмность 83-130 т и нагрузку на ось 270-320 кН [36,55,56,86,95]. Используются полнопрофильные остряки касательного типа с накладной высокомарганцовистой пластиной и контррельсом в острие, самонаправляющиеся крестовины с ребордами по краям, рельсосборные конструкции. В Канаде находится грузонапряжённая линия Севен-Айлендс- Шеффервиль, где па- ревозится в год 20 млн.т руды и концентрата длинносоставными поездами при нагрузках до 300 кН на ось. Практика применения таких нагрузок показала резкое, в 2-3 раза снижение сроков службы элементов стрелочных переводов, особенно металлических, что послужило поводом к ограничению загрузки вагонов и постепенному снижению доли высоких нагрузок.

В 1972-93 гг Бюро пути ЛИИЖТа — руководитель д.т.н.Смирнов М.П., сотрудники к.т.н.Смирнов В.И.,Блажко Л.С.,Соловьёв В.В., зав.лаб.Никаноров В.Н. и др. — проводило исследования на эксплуатируемой промышленной железнодорожной сети ПО «Апатит» в Мурманской области [4,46,50,96,97]. Эти линии предназначены для доставки апатито-нефелинового сырья на обогатительные фабрики и приближены к условиям эксплуатации на сети МПС.

Промышленный полигон имеет:

ширину колеи 1520 мм, протяжённость главных путей 145,5 км, станционных — 80 км, кривые радиусами 200-1500 м, продольные уклоны до 30 %;
типовую конструкцию ВСП — звеньевой путь с сырыми и объёмнозака- лёнными (в кривых) рельсами Р50 и Р65,деревянными шпалами и брусьями, пружинными противоугонами, скреплением типа ДО, щебёночным балластом толщиной 45-60 см с песчаной подушкой;
стрелочные переводы на главных и приёмо-отправочных путях типов Р50 и Р65 марок 1/9 и 1/11 (273 комплекта) с объёмнозакалёнными рельсами стрелки и переводной кривой, крестовинами типа общей отливки и несколькими цельнолитыми;
грузонапряжённость по направлениям 20-70 млн. т брутто в год при тяжелом типе ВСП или постепенном переходе к нему;
подвижной состав для основных перевозок — спаренные электровозы ВЛ22м и ВЛ15, шестиосные думпкары типа 2ВС-105 собственной массой 50 т, грузоподъёмностью 100 т на тележках УВЗ-11А с роликовыми подшипниками и расстоянием между осями 170 см;
поезда из 25 вагонов со средней массой порожнего 1500 т, гружёного 4000 т, обращающиеся со скоростями 40-50 км/ч по прямому и 15-25 км/ч по боковому направлениям стрелочных переводов.

Промышленная железная дорога работает круглосуточно и круглогодично, несмотря на экономический кризис Центральный рудник отгружает 50 тыс. т, а Восточный — 30 тыс. т руды в день, сохраняя свою исследовательскую ценность.

Бюро пути выполняло научно-практические работы по определению общего состояния пути и оставшегося ресурса частей ВСП, тенденций их изменения при росте наработки с учётом распределения грузопотока, обеспечивая информацией желдорцех, что особо важно в условиях дефицита новых элементов.

Очевидное последствие использования повышенных осевых нагрузок — снижение скорости движения до 15-50 км/ч в основном по прочностным характеристикам пути. В связи с высоким процентом кривых малых радиусов наблюдается повышенный износ гребней колёс: средний 3,98 мм, максимальный 7,55 мм на уровне 18 мм от вершины, а большие тормозные участки вызывают появление ползунов 0,7 мм и более. На промполигоне в частности действуют нормы содержания пути, утверждённые Министерством минеральных удобрений в 1986 году. Распространены отклонения по нормам содержания стрелки, смятие и вы- колы на крестовине, что привело, в частности, к сходу 4 гружёных думпкаров в горловине ст. Восточная в июне 1992 года.

Весьма показательно для характеристики эксплуатационных условий на промышленных железных дорогах распределение статической осевой нагрузки по величине, особенно для гружёных думпкаров. Выборки весов гружёных вагонов за период 1962-92 гг. показали, что их фактическая масса колеблется ог 127 до 183 т, при этом перегруз достигает 17 %, что соответствует осевой нагрузке 292 кН.

В табл. 1.1 приведены результаты статистической обработки выборок весов думпкаров в 1985-92 гг. по нормальному закону распределения вероятности, а на рис.1.1 представлены распределение частоты появления значений и диаграммы Гаусса

Вес порожних думпкаров колеблется в пределах 48-56,5 т, а их средняя осевая нагрузка составляет 82 кН. Спаренные электровозы ВЛ22м имеют осевую нагрузку 220 кН, массу 264 т, а ВЛ15 — 250 т.

Средняя исполненная нагрузка на ось по грузовому направлению главного хода за рассматриваемый период была 257 кН при локальном увеличении до 270 кН Велика доля вагонов с превышением номинальной нагрузки 250 кН/ось — 67-97 %. В 1987 году при экскаваторной погрузке доля нагрузок свыше 290 кН/ось составила 3,7 %. Повышение уровня осевых нагрузок — одна из причин снижения работоспособности железнодорожного пути. Большую упорядоченность процедуры погрузки обеспечивают рудоспуски и взвешивание вагонов, что заметно по вытянутым вверх диаграммам Гаусса для рудников с этими устройствами.

На основании многократных обследований линий промполигона сотрудниками ЛИИЖТа предложены и на основании отчётов по темам №384,431,447,484 НИР, представленных Желдорцеху ПО «Апатит», используются следующие конструктивные улучшения для стрелочных переводов и кривых:

удлинённые подкладки по наружной нити кривых перегонов и переводных кривых с целью снижения величины отжима рельсов;
упорные уголки в переднем вылете прямых рамных рельсов для стабилизации ширины колеи при движении в пошёрстном направлении и выходе из кривой с ударом;
уширение колеи на боковое направление сверх норм до 1536 мм для уменьшения бокового износа, напряжений изгиба и кручения по наружной нити;
соединительные штанги между контррельсом и крестовиной с целью обеспечения размера Е при тенденции к сужению колеи;
двухдырные вкладыши у контррельса во избежание разрыва болтов при ударах в отводы.

Указанные конструкции изготовляются в мастерских службы пути из стандартных материалов , так удлинение подкладки получено путём приварки к ней половины другой подкладки.

Анализ эксплуатации новых деталей стрелочных переводов на полигоне в течение 10-15 лет показал их достаточную эффективность для снижения опасных деформаций и напряжений. Применение подкладки с увеличенной площадью опирания в переводной кривой привело к снижению упругих отжимов рельсовой нити в 2 раза.

Проблемы стабильности и повышения эксплуатационного ресурса стрелочных переводов частично решаются путём полного перехода на главном ходу к элементам типа Р65 и Р75 [120], укладки закалённых рельсов и утолщённых прокладок на брусья. Целесообразны применение крестовин с подвижным сердечником марки 1/11, сварка стыков в соединительных путях, у путевых рельсов крестовинного блока, где они реже меняются и не несут функционального назначения. Необходимо рассмотреть возможность применения в приёмо-отправочных путях крестовины пониженной металлоёмкости типа Р65 марки 1/11 по проекту ДИИТа [129], способной за счёт повышенной упругости уменьшить динамические силы и износ.

Список литературы

Агуленко В.И. Разработка экспериментальных методов и исследование контактных напряжений в железнодорожных рельсах: Дис….канд. тех. наук: 05.22.06. — Защищена в НИИЖТе в 1987 году.-Новосибирск, 1987,- 149 с.-Библиогр. с. 137-149.
Александров А.И., Грачёв В.Ф. Применение МКЭ в задаче о контакте колеса и рельса // Исследование взаимодействия пути и подвижного состава: Сб. науч. тр. ДИИТа.- Днепропетровск, 1982,- Вып.220(28).- с. 22-23.
Алексеев А.Е. Экспериментальные методы определения модуля упругости рельсового пути // Тр. НИИ пути. — М.:Госжелдориз- дат,1933,- Сб. N 11.- с. 28-82.
Амелин C.B., Блажко Л.С., Смирнов М.П., Смирнов В.И. Интенсивность накопления остаточных деформаций пути при воздействии вагонной нагрузки 250 кН/ось.-Л.,1982.-76 с. Деп. в ЦНИИТЭИМПС 30.08.82, N1797.
Ангелейко В.И., Зиньковский B.C. Износ крестовин замедляется// Путь и путевое хозяйство.- 1984,- N 4.- с.12.
Беклемишев А.П. Исследование типовой крестовины МПС из рельсов Р50 (проект 1948 года)/ Тр. СНТО ЛИИЖТа.- Л.,1950.- 4 с.
Белых К.Д., Бондаренко Е.П. Контактные напряжения в рельсах, лежащих в путях металлургических заводов // Вопросы путевого хозяйства и пути железных дорог: Сб. науч. тр. ДИИТа — Днепропетровск,1962,- Вып.42.- с. 150-157.
Беляев Н.М. Вычисление наибольших расчётных напряжений при сжатиии соприкасающихся тел// Сб. науч. тр./Лен. ин-тинж. путей собщения,1929 — Вып. 102.- с. 8.
Беляев Н.М. К вопросу о местных напряжениях в связи с сопротивлением рельсов смятию// Сб. науч. тр./Лен. ин-т инж. путей сообщения,1929.- Вып.99,- с. 12.
Беляев Н.М. Труды по теории упругости и пластичности. — М.:Госмашиздат,1957,- 448 с.
И.Березовский М.В. Простейшие (первоочередные) меры сокращения износа железнодорожных крестовин / Тр. НИС ЛИИЖТа. — Л.,1948. — 18 с.