Вибрационный метод диагностики металлических ригелей жестких поперечин контактной сети

Ригели жестких поперечин относятся к одному из наиболее ответственных устройств контактной сети. От их состояния во многом зависит безопасность и бесперебойность движения поездов. Выход из строя даже одного ригеля может привести к длительным перерывам в движении поездов или даже к серьезной аварии. В настоящее время на электрифицированных железных дорогах эксплуатируются более 100 тыс. ригелей жес тких поперечин. Эти конструкции предназначены для закрепления контактных подвесок над путями и представляют собой пространственные сварные фермы балочного типа (рис. 1.1). Для их изготовления используется обычная низколегированная сталь, а защита от коррозии осуществлялась до последнего времени исключительно лакокрасочными покрытиями с небольшим сроком службы.

Рис. 1.1. Пример ригеля жёсткой поперечины.

Опыт эксплуатации ригелей жестких поперечин показывают, что после изготовления и монтажа они обладают высокой начальной безотказностью и достаточно эффективны в эксплуатации. Однако с течением времени происходит исчерпание защитных свойств покрытий, они разрушаются и на металле конструкции развиваются коррозийные процессы. Эти процессы влекут за собой уменьшение сечения элементов конструкции, сопровождаются изменениями прочностных и деформационных свойств, как основного металла, так и металла сварных швов.

В соединительных накладных блоках ригелей вследствие появления концентратов напряжения от неравномерного коррозионного износа возникают и развиваются виброусталостные трещины. Все это приводит к снижению несущей способности ригелей и создает угрозу безопасности движения поездов, а в ряде случаев и к отказу конструкций. Такие отказы отмечались на Куйбышевской, Московской, Красноярской и других железных дорог. На устранение и предотвращение отказов затрачиваются большие материальные и финансовые ресурсы. В частности, замена одного ригеля жесткой поперечины обходится в среднем около 400 т. руб.

В последние годы предпринимаются меры по снижению коррозионного воздействия на ригели жёстких поперечин. С одной стороны, проводятся работы по возобновлению покрытий на эксплуатируемых конструкциях. А, с другой стороны, применяются при обновлении и реконструкции участков электрификации более стойкие и долговечные покрытия. Однако необходимо учитывать, что даже наиболее стойкие покрытия имеют сроки службы меньше, чем прогнозируемый срок эксплуатации конструкции вследствие коррозионных воздействий.

Таким образом, можно констатировать, что в той или иной мере все конструкции ригелей в процессе срока эксплуатации подвергаются коррозионному воздействию и в них могут появляться различные трещины. И в силу этого, изменения несущей способности в той или иной степени испытывают все конструкции. Все эти процессы могут усиливаться одновременно с влиянием виброусталостных явлений в накладках блоков, возникающих под действием вынужденных колебаний контактной сети.

Виброусталостные повреждения развиваются независимо от того, имеется на ригеле защитное покрытие или нет. В зарождении и развитии трещин могут сыграть решающую роль концентраторы напряжений, связанные с технологией сварочных работ. При этом виброусталостные повреждения развиваются значительно быстрее коррозионных, и их последней стадией является хрупкое разрушение накладок и прогиб ригеля.

Отсюда очевидной становится актуальность своевременного контроля состояния ригелей жёстких поперечин и диагностики их прочности. Применяемый в настоящее время визуальный контроль малоэффективен, требует подъёма на конструкции, что в условиях наличия напряжения в контактной сети создает в ряде случаев дополнительные трудности, и не позволяет обнаруживать скрытые дефекты.

В настоящем исследовании решение задачи диагностики прочности ригелей осуществляется с применением вибрационного метода. При решении поставленной задачи контроля и диагностики прочности ригелей жёстких поперечин автор опирался на труды учёных и специалистов железнодорожного транспорта Подольского В. И., Котельникова А. В., Кудрявцева А. А., Сердинова С. М., Вологина В. А., Кандаева В. Л., Григорьева B. JL, Наумова А. В. и других авторов, на работы в области транспортных конструкции и материалов Орла А. А., Конюхова А. Д., Скороходова В. Н., Иванова Ф. М., Шурыгина В. П., Рояка Г. С., Чиркова В. П., Соловьянчика А. Р., Розенталя Н. К. и других учёных, на работы в области технической диагностики Клюева В. В., Самокрутова А. А., Козлова В. А., Болотина В. В., Лепендина Л. Ф., Коншина Г. Г, Ланге Ю. В. и других учёных, а также на работы в области колебаний механики разрушения материалов Безухова Н. И., Д. Фохта, Д. Брояка, Черепанова Г. П., Дроздовского Б. А., Тимошенко С. П. и других учёных.

Использовался зарубежный опыт специалистов эксплуатационников в области электрификации железных дорог, а также опыт специалистов в области диагностики металлоконструкций.

Цель работы. Разработка вибрационного метода диагностики несущей способности металлических ригелей жёстких поперечин. Решение этой задачи предусматривает:

— анализ основных закономерностей появления повреждений в ригелях, влияние этих повреждений на несущую способность ригелей;

— определение основных закономерностей влияния повреждений на прочностные свойства металла поперечин;

— построение математических моделей колебаний ригелей с повреждениями в нижних накладках поясов;

— экспериментальные исследования колебаний ригелей с повреждениями;

— построение методики диагностики и требований к аппаратуре.

Работа выполнена в лаборатории контактной сети и токосъёма.

Всероссийского научноисследовательского института железнодорожного транспорта. Основные результаты работы получены при выполнении планов научноисследовательских работ МПС и ОАО РЖД.

Методы исследований. При выполнении работы использованы методы теории колебаний, механики хрупкого разрушения, методы экспериментального моделирования и испытания натурных образцов.

Научная новизна. Научную новизну работы составляют:

— установление качественных и количественных закономерностей влияния повреждений на несущую способность ригелей;

— закономерности изменения частотного диапазона колебаний ригелей при наличии повреждений;

— зависимость частоты колебаний ригеля от глубины повреждений на нижнем поясе ригелей;

— методика оценки несущей способности ригелей от частоты их колебаний.

Основные положения, выносимые на защиту:

— качественные и количественные закономерности изменения несущей способности ригелей при появлении повреждений;

— закономерности изменения динамических характеристик ригелей при появлении трещины и коррозии;

— зависимость частоты колебаний ригеля от глубины трещины;

— зависимость несущей способности ригелей от частоты колебаний;

— методика диагностики несущей способности ригелей.

Реализация работы:

— разработана методика диагностики несущей способности ригелей жёстких поперечин;

— проведены экспериментальные исследования ригелей жёстких поперечин на действующем участке железной дороги;

— получена справка о внедрении вибрационного метода диагностики на Московской железной дороги;

— обоснованы основные требования к аппаратуре диагностики поперечин.

Заключение

и выводы.

Одним из важнейших устройств контактной сети являются ригели жёстких поперечин. Они предназначены для установки на многопутных участках и служат для закрепления значительного числа подвесок без промежуточных опор. В силу этого к ним предъявляются особые требования по надёжности, необходимой для обеспечения безопасности и бесперебойного движения поездов.

Проведённый анализ показал, что надёжность ригелей жёстких поперечин во многих случаях оказывается недостаточной для обеспечения безопасного и бесперебойного движения поездов. Основными причинами, которые приводят к такому состоянию, являются технологические дефекты изготовления конструкций, неблагоприятное влияние эксплуатационных факторов. Среди технологических факторов особую роль играют дефекты сварных швов и соединений. В работе подробно рассмотрены наружные и внутренние дефекты сварных швов, причины их образования, а также показано неблагоприятное влияние этих дефектов на прочность сварных швов.

Среди эксплуатационных факторов снижения надёжности и несущей способности ригелей рассмотрены коррозионный износ металла конструкций и усталостное трещинообразование в элементах ригелей, преимущественно в стыковых накладках. Отмечено, что в развитии коррозионного износа металла конструкций основную роль играет электрохимический механизм коррозии. Показано влияние на этот механизм влажности, содержания в воздухе агрессивных веществ, газов. Особое внимание обращено на недопустимость нанесения поперечных сварных швов в стыках, где могут развиваться коррозионные разрушения, как швов, так и стыкуемых уголков. Отмечено также влияние на интенсивность коррозионного процесса сезонных колебаний температуры и влажности.

Отдельно рассмотрен малоизученный вопрос появления, развития и влияния на прочность металла усталостных вибротрещин. Показана опасность появления этих трещин на прочность металла и снижение несущей способности ригелей.

В результате обобщающего анализа дефектов, повреждений, воздействий контактной сети установлена необходимость для безопасной эксплуатации ригелей осуществление диагностики их прочности. Сформулированы основные требования к методам диагностики прочности конструкций и показано, что из множества методов диагностики, для диагностики несущей способности ригелей наиболее приемлемым является вибрационный способ. При этом из различных параметров этого способа выбран определяющий параметр, которым является частота собственных колебаний ригеля.

Для реализации этого метода, условий и возможности его применения был разработан ряд математических моделей колебаний ригелей. Рассмотрены модели колебаний ригелей без контактной подвески и отсутствие повреждений, с одной и тремя контактными подвесками при отсутствии повреждений. В результате решения моделей колебаний ригелей установлено существенное влияние на частоту колебаний ригелей подвешенных к ним контактных подвесок. В частности, наличие одной контактной подвески посреди пролёта снижает частоту колебаний более чем на 20%. При трёх контактных подвесках в отсутствие повреждений частота колебаний может в зависимости от длины пролёта уменьшаться в несколько раз. В работе приведены данные о частотах колебаний ригелей различной длины и при различном числе подвесок.

Наиболее важную часть работы составляет математическая модель колебаний ригелей с повреждениями в виде поперечных трещин в накладках. При этом для определения частот колебаний ригелей с трещинами предложен новый приём учёта влияния этих трещин путём введения в уравнения колебаний условной жёсткости. С применением этого приёма рассмотрены колебания ригелей с одной контактной подвеской и трещинами под средней подвеской. В частности, показано, что при появлении в ригеле с одной подвеской и трещиной, пересекающей нижнюю полку уголка, частота колебаний ригеля одного и того же пролёта уменьшается более чем на 34%. Для ригеля с тремя подвесками при такой же трещине посредине пролёта снижение частоты колебаний составляет более 18%.

В работе проанализировано также влияние решётки ригелей на частоту их колебаний. Показано, что при пролётах более 8 м это влияние незначительно и может не учитываться при расчётах частот колебаний решётчатых ригелей. Для подтверждения возможности использования вибрационного метода для диагностики ригелей осуществлены также полигонные и эксплуатационные испытания, показывающие работоспособность метода.

Определена экономическая эффективность метода и сформулированы требования к методике измерений. Основные выводы:

1. Вибрационный метод позволяет обнаруживать виброусталостные повреждения и определять степень снижения несущей способности ригелей.

2. Основным параметром, чувствительным к состоянию ригеля является собственная частота колебаний.

3. При оценке частоты колебаний ригеля следует учитывать наличие и число подвешенных к ригелю контактных подвесок.

4. Применение вибрационного метода для диагностики несущей способности ригелей целесообразно осуществлять с использованием бесконтактного лазерного виброметра.

5. Применение вибрационного метода для диагностики несущей способности ригелей может дать экономический эффект в размере более 1,0 млн руб.