Определение экономической эффективности предложений по увеличению эксплуатационного ресурса

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

В главах 2,5 и заключении диссертации представлены варианты улучшения эксплуатационных параметров крестовин стрелочных переводов, связанные с оп­тимизацией напряжённо-деформированного состояния контактной зоны :

  • двух-трёхрадиусное очертание поверхности катания с дополнительным припуском на наклёп 2-3 мм на основании траекториальных допущений [25] при периодической шлифовке вручную на пути;
  • лубрикация поверхности катания полутвёрдой смазкой на основе графита, молибдена;
  • укладка дополнительных упругих прокладок толщиной 10-14 мм под по­дошву конструкции и на брусья;
  • перенос зон перекатывания в более широкие сечения 35-40 мм в сочетании с уширением бандажа колёс на замкнутой промышленной сети;
  • создание непрерывной поверхности катания по основному направлению с перекатыванием гребня через жёлоб и рельс при ответвлении в тупик или на очень малодеятельные пути.

Поскольку дефекты в контактной зоне являются основной причиной выхода крестовин из строя, замедление их развития позволит значительно увеличить сро­ки службы, повысить надёжность и безопасность эксплуатации, создать предпо­сылки для увеличения скорости до 50 км/ч по прямому направлению.

Применение трёхрадиусного очертания поверхности катания в сочетании с профилированием головки рельсошлифовальными поездами в 1,5 и более раз сни­зило число контактно-усталостных дефектов на железных дорогах США и Канады [56,64]. Можно прогнозировать увеличение эксплуатационного ресурса на 40-50% при условии регулярной шлифовки. Лубрикация поверхности катания в зоне перекатывания позволяет более чем в 2 раза снизить касательные силы. Сила трения стали о сталь зависит от скорости движения и при характерных для промполигона У=7-12 м/с составляет более 50% от величины нормального давления. В главе 5 установлена пропорциональность касательных нагрузок и эквивалентных напряжений на глубине, определяющих контактно-усталостную прочность элемента.

Она, в свою очередь, связана со сро­ками службы близким к экспоненте графиком Велёра

С учётом неровностей, неравномерного распределения давления коэффициент трения за счёт лубрикации можно уменьшить до 0,2-0,3 , что приведёт к увеличению числа циклов до разрушения на треть.

Использование специальных резиновых и полимерных прокладок под кре­стовиной — со сферическими полостями или рифлением толщиной 10-14 мм , ана­логичных предлагаемым БелИИЖТом и используемым во Франции, увеличит уп­ругость основания на 40-70% и позволит снизить динамическую силу и интенсив­ность остаточных деформаций по разным оценкам на 15-40%.

Три описанных предложения относятся к первоочередным и могут приме­няться для всех стрелочных переводов на главных и приёмо-отправочных путях, не требуя сложной предварительной подготовки. При грузонапряжённости рассмат­риваемой однопутной линии 20 млн.т-км на км брутто в год эксплуатационный ре­сурс по времени составляет 3 года. При совместном применении лубрикации, про­кладок, и поддержании трёхрадиусного очертания можно ожидать увеличения сро­ка службы крестовин до 5 лет.

Поскольку условия эксплуатации на промполигоне близки к ереднесетевым, можно оценить экономическую эффективность по методике расчёта для ресурсос­берегающих технологий [115], принятой в МПС. Для мероприятий, увеличиваю­щих срок службы элементов, рекомендуется пользоваться формулой:

Мероприятия по применению уширенного бандажа трудоёмки и капиталоём­ки, требуют учёта многих факторов как по путевому, так и по вагонному хозяйству, а также при изготовлении новых конструкций. Применение новых профилей бан­дажа, крестовины и остряка возможно на вновь создаваемой сети промышленного предприятия, подобного ПО «Апатит», после конкретного технико-экономического анализа.

Устройство сборнорельсовой конструкции с накатом гребня на рельс позво­лит увеличить срок службы отдельных крестовин за счёт ликвидации зоны перека­тывания по основному направлению. Если типовая крестовина служит на промполигоне до ремонта 60 млн. т брутто, то эксплуатационный ресурс новой конструк­ции, ограниченный в основном сроком службы рельсов Р50 и Р65, может быть уве­личен в 2- 5 раз. По данным Бюро пути [47] на промполигоне ресурс закалённых рельсов типа Р50 по прямому направлению составляет 200 млн. т брутто, Р65 — 300 млн. т брутто, а при 11=300 м он снижается до 100 млн. т брутто.

Экономический эффект от увеличения срока службы крестовины по данному предложению при

Стоимость укладки новой конструкции соответствует подобным затратам для типовой крестовины. Сборнорельсовая крестовина с перекатыванием колеса через рельс использовалась на промтранспорте в середине XX века, и необходимая для её изготовления проектная документация имеется.

Стоимость самой конструкции с учётом удлинения контррельса и примене­ния специальных упрочнённых накладок для обеспечения наката гребня колеса на рельс ориентировочно эквивалентна цене типовой крестовины с литой частью из высокомарганцовистой стали — в 1990 году стоимость сборнорельсовой крестовины с обычным перекатыванием колеса составляла 468 руб., а типа общей отливки сер­дечника с изнашиваемой частью усовиков — 612 руб.

Таким образом применение крестовин с перекатыванием гребня через рельс позволит в отдельных случаях устраивать эффективные ответвления с обеспечени­ем перегонной скорости по главному пути.

Заключение

В диссертационной работе с помощью измерений параметров, износа и дефек­тов на стрелочных переводах, их ручной и машинной обработки, численного и анали­тического решения упруго-пластических контактных задач в зоне перекатывания, а также получения и обработки опытных контактных отпечатков на копировальной и фотобумаге по остряку и крестовине с учётом пластичности установлены зависимости эксплуатационного ресурса элементов переводов от осевой нагрузки, пропущенного тоннажа, в значительной степени уточнено напряжённо-деформированное состояние контактной зоны, непосредственно связанное с появлением и развитием дефектов. Разработаны методики определения сроков службы по условиям эксплуатации и кон­тролируемым параметрам состояния частей переводов, прогноза их износа и дефект­ности с применением ЭВМ, многофакторных графиков зависимостей, с учётом кон­тактных напряжений и путём модификации формул для перегонов. Проверены приме­нимость задач Митчела и Соколовского, метода конечных элементов СПбГТУ для оп­ределения напряжений и деформаций по всему сечению контактной зоны и влияние на них конфигурации нагрузки, боковых граней, основания. Предложены эксперимен­тально-теоретические способы расчёта модуля упругости основания перевода и кон­тактных напряжений по отпечаткам от колеса в зонах перекатывания, позволившие выявить их особенности, влияние микронеровностей, пластических деформаций, ра­диуса колеса, ширины сечения.

На основании проведённых исследований разработаны указания по эксплуата­ции стрелочных переводов при повышенных осевых нагрузках, по расчёту их ресурса, контактных напряжений и остаточных деформаций. При обобщении материалов по промполигону, ВНИЙЖТа, ДИИТа, ЦНИИТЭИ определены поправочные коэффици­енты к нормативным срокам службы стрелок и крестовин при Рос.=240-300 кН, Сис­тематизирован большой фактический материал о результатах воздействия повышен­ных осевых нагрузок на обыкновенные типовые стрелочные переводы.

С помощью численных и экспериментально-теоретических методов решения контактной задачи подтверждена связь между появлением и развитием дефектов и местами концентрации, максимумами нормальных и касательных напряжений.

Решение упруго-пластических задач для контактной зоны по методике В.В.Со­коловского позволило выявить места концентрации напряжений у боковой грани и у границы полосы загружения по усовику. Данные расчёта позволяют упростить проек­тирование поперечного сечения контактной зоны под заданную нагрузку путём срав­нения полученных значений тЭКв. и [сгку], наметить области первоочередного упрочне­ния на глубину 3-5 мм — в верхней части (2-3 см) боковых граней, по расчётной грани­це полосы контакта — в 2-7 см от края усовика.

Конечноэлементный анализ напряжённо-деформированного состояния контакт­ной зоны элементов перевода также может быть применён для проектирования попе­речных сечений, мест и степени упрочнения металла конструкции. Доказано, что наи­большую опасность представляют случаи реализации касательной нагрузки в сторону бо­ковой грани, резко неравномерного давления по площадке контакта, внецентренного приложения силы, а также наличия радиуса поверхности катания менее 15 мм.

Сов­местное действие этих факторов увеличивает напряжения в 3-4, а поперечную компоненту

в 7 раз по сравнению с нормальной нагрузкой на изношенный сердечник, по теории упругости при Р=45т по сердечнику тэкв. достигают величины 3370 МПа.

При сочетании нагрузки 30 т с контактом по выкружке или с поперечным смещением колеса возника­ют сдвиговые напряжения

приводящие к развитию выщербин. Расчёт напряжений по контактным отпечаткам с учётом пластичности показал рост оьк до 2637 МПа для Р=25 т при касательных компонентах

что мало отличается от данных по методике В.Ф.Яковлева. Превышение размеров опытных контактных площадок над теоретическими в 1,5-2 и более раз свидетельствует о боль­шой роли пластических деформаций и необходимости их учёта при Р>10 т/колесо.

Выполненная работа позволяет сделать следующие выводы:

1 .Для стрелочных переводов при осевых нагрузках 25-30 т/ось возникают осо­бые условия работы с резким возрастанием упругих и остаточных деформаций, общих и местных напряжений, обуславливающих снижение скоростей движения до 15-50 км/ч.

2.Повышенные нагрузки вызывают рост износа за счет смятия при пропуске первых 20 млн. т брутто до 6-7 мм (Рис.7.1) . Процесс износа удовлетворительно аппроксимируется выражением, учитывающим выкрашивание пере­наклёпанного металла на третьей стадии работы элементов.

Ускоряется выкрашивание по поверхности катания и боковым выкружкам в 1,5-2 раза. Образуются обширные выколы наплавленного слоя глубиной до 10 мм.

4.Определённый путём статистической обработки наблюдений эксплу­атационный ресурс при нагрузках 25-30 т/ось составляет:

Автором проанализированы особенности выработки ресурса элементов перево­да и выполнено сравнение с данными по линиям МПС. Для прогнозирования сроков службы элементов в зависимости от скорости, нагрузок, контактных напряжений це­лесообразно использование графиков-диаграмм на основе опытных данных по сети дорог.

  • Модуль          упругости основания перевода возрастает от стрелки к крестовине с 31 до 81 МПа, увеличивая воздействие динамических сил на элементы перевода.
    • Для  расчёта контактных задач с узкими поперечными сечениями элементов или с близостью зоны контакта к боковой грани, где не выполняются предпосылки Герца-Беляева, предлагаются: метод конечных элементов теории упругости, хорошо адаптированный для различных сечений и нагрузок на ПЭВМ; решения задач для плоского клина Митчела (упругое) и Соколовского (упруго-пластическое) с програм­мами, разработанными автором. Полученные численные и теоретические решения построены на зависимостях для плоского деформированного состояния и по степени точности удовлетворяют требованиям инженерного расчёта.

7.Экспериментальные исследования контактных площадок показали превыше­ние их размеров над расчётными в 2-7 раз за счёт микронеровностей при малых на­грузках и за счёт пластических деформаций — при больших (10 и более т на колесо).

8.Результаты определения контактных напряжений по отпечаткам с учётом ко­эффициентов проф.В.Ф.Яковлева указывают на рост пластических деформаций при увеличении нагрузки или приближении боковых граней, особенно на глубине 1-3 мм с распространением на всю контактную зону. Преобладают деформации в вертикаль­ном и поперечном направлениях , которые хорошо соотносятся с реально наблю­даемыми картинами смятия по сечениям.

Многолетние исследования стрелочных переводов научными, путеобследова- тельскими организациями, в том числе на промполигоне ЛИИЖТа, выявили следую­щие основные возможности продления эксплуатационного ресурса элементов:

1 .Легирование рельсовой стали Сг, Уа, Се с повышением износостойкости и измельчением структуры металла.

2.Упрочнение металла накаткой колесом большого радиуса или взрывом — для крестовины, ТВЧ по верху сечения — для элементов из рельсовой стали.

ЗНаплавка зоны перекатывания крестовины в холодную погоду с вышлифовкой трещин, прокашш и обработкой по профилю нового сечения с применением электро­дов ЦНИИИ или напылением раскалённого порошка №е по новой технологии [33,135].

  • Применение крестовин с дополнительным припуском на наклёп в соответст­вии с принципом «траекториальных допущений» при малых скоростях движения [25].
    • Укладка        утолщённых до 14 мм резиновых прокладок с рифлением или сфери­ческими полостями — выступами и дополнительных прокладок из гомбелита под ли­той частью и крестовиной в целом.
      • Применение    конструкций для стабилизации колеи, рекомендованных для пром- полигона Бюро пути ЛИИЖТа (удлинённые подкладки по наружной нити переводной кривой в сочетании с её уширением до 1536 мм, упорные уголки в переднем выле-те, двухдырные вкладыши у контррельса и распорки между ним и крестовиной) [46].
      • Укрытие      острия кривого острякового рельса путём уширения колеи до 5 мм за счёт изгиба наружу прямого рамного рельса [131].
      • Использование    косых стыков при значительном преобладании одного из на­правлений движения.
      • Применение    на главных путях крестовин Р651/11 с подвижным сердечником.

Дополнительные исследования проблемы увеличения эксплуатационного ре­сурса элементов стрелочных переводов при повышенных осевых нагрузках позво­ляют автору рекомендовать для рассмотрения и апробации некоторые нестандартные варианты конструкций и технологические мероприятия :

1 .Лубрикация поверхности катания твёрдой смазкой в зонах перекатывания.

В реализации касательных напряжений велика роль поперечных и продольных проскальзываний колеса, которые неизбежно происходят при ударе в элемент пере­вода, при торможении. Касательная составляющая нагрузки прямо зависит от куло- новского коэффициента трения, снизить который можно нанесением на поверхность в зоне перекатывания смазки, в минимальной степени подверженной переносу на колё­са экипажей. Это должна быть обязательно твёрдая графитовая или сульфаго-молибдено- вая смазка, периодически наносимая на поверхность катания вручную или при медленном движении специальной дрезины с прикреплённым кней смазывающим стержнем [55,64].

  • Изготовление гибкого кривого острякового рельса из высокомарганцовисггой стали.

Целесообразно при больших объёмах движения на боковое направление. Со­держание углерода должно быть около 1,3%, а у выпресеовки возможно применение про- межуточной аустешггной вставки с переходом к обычной рельсовой стали [32,95].

  • На       начальной стадии развития мелких дефектов в виде выщербин можно про­извести отжиг поверхности в зонах перекатывания с помощью газосварочного аппа­рата при медленном отпуске металла, что улучшит пластические свойства и будет способствовать закатыванию дефектов.
    • Устройство      непрерывной рельсовой поверхности по прямому направлению крестовины с качением гребня по жёлобу при ответвлении на малодеятельные пути.

В случаях очень малого, менее 5%, движения на боковой путь и когда скорость движения по нему не играет большой роли, ограничиваясь 10 км/ч, что часто имеет место при ответвлениях на перегонах, целесообразно устройство рельсовых нитей на пересечении с качением в разных уровнях. По прямому направлению укладывается обычный рельс с закалкой головки и сохраняется непрерывность рельсовой колеи. По боковому направлению рельсы наружной нити переводной кривой у пересечения по­вышаются на 20-25 мм с обеих сторон зоны перекатывания, и дополнительно к ним на болтах присоединяются специальные накладки для подъёма гребня колеса на прямой рельс. У противоположной внутренней нити на 3 м с обеих сторон от пересечения ук­ладывается контррельс.

Эта конструкция может быть применена и на ответвлении в улавливающий ту­пик с созданием непрерывной колеи по боковому направлению. Переводы такого ти­па разрабатывались в Германии в 1921 году, а в СССР применялись на промышленном транспорте [12].

5В главе 2 предложена укладка новых стрелочных переводов целиком и отдельно крестовин на 1-2 года в малодеятельные пути для обкатки и приработки к колёсам обра­щающегося подвижного состава. При этом контактная зона получит постепенное уп­рочнение, позволяющее значительно уменьшить первоначальное смятие после переклад­ки подготовленных таким образом конструкций в главные и приёмо-отравочные пути.

В главе 5 разработан проект переноса зон перекатывания по остряку и сердеч­нику крестовины в сечения 35-50 мм, связанный с изменением продольного профиля поверхности катания по элементам перевода и уширением бандажа колёс на 20 мм на замкнутой сети промпредприятия. Полученное при этом снижение контактных на­пряжений позволит замедлить процессы износа и дефектообразования до уровня, ха­рактерного для обычных нагрузок 150-200 кН/ось на сети МПС.

Там же представлены варианты изменения поперечных сечений элементов с целью удаления зон контакта от боковых граней за счёт переходного к боковой вы­кружке радиуса г2. При сохранении ширины контактной площадки не менее 10 мм и регулярном профилировании поверхности сечений это позволит по данным дорог США [64] сократить количество контактно-усталостных дефектов в 1,5 раза, прежде всего наиболее распространённых по рис.ДО.И.2,ДС.13.2,ДУ.13.2,ДСЛ4.2,ДУ.14.2.

Отдельные компоненты этих разработок представлены на рис.7.2.

В результате работ Бюро пуга на промполигоне доказана целесообразность повсеме­стною применения при осевых нагрузках 250-300 кН тяжёлого типа ВСП, в том числе стре­лочных перевод ов типа Р65, обеспечивающих скорость до25 км/ч на боковое направление.

Требования железных дорог по обеспечению максимальной провозной способ­ности часто вступают в противоречие с возрастанием скорости дефектообразования износа. Результаты настоящей работы показывают, что при неблагоприятном напря­жённо-деформированном состоянии в зоне контакта колеса и элемента пути возни­кают трещины и сплывы металла, интенсивно растущие и приводящие в негодность конструкции быстрее, чем увеличивается осевая нагрузка. Таким образом повышение осевых нагрузок должно быть в каждом случае тех- нико-экономически обосновано. Необходимо существенное превышение суммарной величины дополнительной прибыли от перевозок и снижения эксплуатационных рас­ходов на локомотивы и вагоны над дополнительными расходами на материалы ВСП, ремонт и смену элементов, рабочую силу и простои поездов.

Список литературы

  1. Яковлев В.Ф. О нормах износа стрелочных переводов промышлен¬ных железных дорог // Вопросы работы промышленного желенодо- рожного транспорта: Сб. науч. тр. ЛИИЖТа.- JI.,1980.- с. 7-11.
  2. Яковлев В.Ф., Столярова Т.А., Семёнов И.И. К вопросу опреде¬ления сроков службы элементов верхнего строения пути в усло¬виях металлургических заводов // Сб. науч. тр. ЛИИЖТа. — Л.,1975.- Вып.380.- с. 74-80.
  3. Янковский А.К., Шлыгин М.И., Литвин Г.А. Проектирование стрелочных переводов // Тр. ЦНИИ МПС.- М.:Трансжелдориз- дат,1948.- Вып.27.
  4. AREA Panel discussion. Program of standartization and cost of manganese forgs / Railway track and structures.-1960.- N 5.- p. 45-62.
  5. Blanc P. Au Département de l’Entretien: études de renouvellement com¬plet de la voie //Revue generale des chemins de fer — 1989,- N 5.- p.29-34.
  6. Jursak Z. Comportement dynamique d’une véhiculé au franchis-sement d’une déviation d’appareil de voie // Revue generale
    des chemins de fer.- 1970.- N 3.- p. 226-228.
  7. Oeconomos J. Les nouveaux appareils de voie U1C 60 de la SNCF// Revue generale des chemins de fer.-1987.-N3.-p.5-9.
  8. PaskalX, Sauvage G. Nouvelle methode de calcul des effort dynamique entre les roues et les rails. Influence du profil des roues et de l’iclinaison des rails / Revue generale des chemins de fer.-1990,- N 9 — p. 11-13.
  9. Rousse R. Les appareil de voie aux grandes vitessee // Revue generale des chemins de fer.- 1970,- N 7/8,- p. 422-439.
  10. Spinelli A. RATP: Amélioration vibratoire des coeurs d’appa¬reils de voie // Revue generale des chemins de fer.- 1989.- N 3.- p. 43-49.
  11. Taking a life-cycle costing approach to turnouts // RT & S Track Buyer’s Guide.- 1996,-p. 29-33.
  12. Woltjen: Weichenbautechnisches Handbuch. Dr.- Arthur — Tetz- laff.- Verlag,Frankfurt(M),1959.

Опубликовано

в

Метки: