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

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 расчётанатурные наблюдения дают характеристику эксплуатационных условий и статистику изменения состояния стрелочных переводовтеоретические разработки по расчёту напряжений позволяют прогнозировать их состояние более точноэто проверяется путём динамических испытаний на полигоне, методом контактных отпечатков в лабораторииопределяются 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 3000 т 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 ГерцаБеляеваЯковлева, 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, 1991 г.);

— Неделе науки по кафедре «Строительная механика» (ПИИТ, 1993 г.);

— Третьей международной конференции по проблемам прочности материалов и сооружений на транспорте (ПГУПС, 1994 г.);

— 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:

1. Петров А. Ю. Методы решения контактной задачи «колесо — рельс»: Тезисы на Неделе науки./ ПИИТ. — СПб, 1993.

2. Петров А. Ю., Боровков А. И. Конечноэлементное исследование напряжённого состояния системы «Колесорельс» при заданной границе контакта: Тезисы к 3 международной конференции по проблемам прочности на транспорте./ ПГУПС. — СПб, 1994.

3. 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.

6.4.4.5 Выводы.

Нормальные напряжения по предложенной методике в 1,5−2 раза больше, чем по В. Ф. Яковлеву, но не превосходят 2637МПа при Р=25т. Максимумы касательных напряжений для них близки: тж шк=1075МПа на глубине 1 мм более выражен, а Тушиг^ 155МПа на поверхности в 1,25 раза меньше, также отмечен менее резкий переход ко второму максимуму т^ на уровне 3−5 мм.

Условный модуль деформации Еь как и для остряка, в несколько раз меньше модуля Юнга для стали и увеличивается с ростом нагрузки, что характеризует процесс упрочнения при пластической деформации и минимизацию влияния микронеровностей. При росте нагрузки по сердечнику влияние края и пластичность проявляются у поверхности почти одновременно при силе до 10 т в отличие от несимметричного остряка с выкружкой, где площадки выходят на грань уже при Р=5 т. В дальнейшем остаточные деформации распространяются по всей контактной зоне. Вследствие влияния боковых граней, на поверхности практи.

Р-50кНК=0, 6мг-0.155м.

Рис. 6. 34- Распределение напряжений по вертикальной оси контактасердечника-крестовины в сечении 20 «<-• с сектором пресса» -" ««™.

2000 2 = 0 — 2 = 1 мм.

50 юо 4 кн I.

220 г. мп*.

1000+.

КИ ю оа.

Рис. 6.35 Графики-аазисиуостеи и? пря"рний по оси площадки от сгрузки —. I секторН=0, Ък!, для сердечника. крестовины в сечении 20 мм.

208 чески отсутствует рост поперечной компоненты напряжений сту пропорционально нагрузке, но знак её не меняется.

При силе 25 т на глубине z=l мм, соответстствующей максимуму sz, имеет место высокий уровень напряжений стхтах=1562 МПа, скочок стутах до 1715 МПа, а при z=5mm Ху2>[сгКу]. По сравнению с остряком вертикальная составляющая затухает медленнее, на глубине 8 мм az=1470 МПа, сохраняя уровень касательных напряжений 740−1100 МПа.

В целом в связи с центральным положением площадки контакта и оптимальным радиусом поверхности г=0,2 м резких колебаний напряжений нет. Другие особенности напряжённо-деформированного состояния, указанные в п. 6.3.3 для острякового рельса, имеют место и по сердечнику крестовины.

Проведённые расчёты контактных напряжений подтверждают связь областей эквивалентных касательных напряжений и пластических деформаций со смятием металла у боковых граней и зоной появления внутренних продольно-наклонных трещин на глубине контактной области. Сделана попытка инженерного учёта пластических явлений при средних и больших нагрузках. Превышение размеров экспериментальных площадок контакта над теоретическими в 1,5−2 и более раз, рост этого отношения с увеличением сил Р свидетельствует о большой роли остаточных деформаций и необходимости их учёта в случае реализации повышенных осевых нагрузок.

ГЛАВА 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧИСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ОСЕВЫХ НАГРУЗКАХ.

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 путилубрикация поверхности катания полутвёрдой смазкой на основе графита, молибденаукладка дополнительных упругих прокладок толщиной 10−14 мм под подошву конструкции и на брусьяперенос зон перекатывания в более широкие сечения 35−40 мм в сочетании с уширением бандажа колёс на замкнутой промышленной сетисоздание 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 сгНр^щжлов) — 1пМ=а+Ьо. 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:

Эт = Сбаз (К-1)-Смеропр^ руб в год Здесь Сбаз=9100 руб стоимость наиботп, лее распространённой на однопутной линии ПО «Апатит» крестовины Р50, 1/9 на февраль 2000 года, Смеропр — затраты на реализацию русурсосберегающих технолот гий (шлифовку, лубрижацию, дополнительные прокладки) за время Т^,., К = —^.

Тб аз. отношение проектного ресурса элемента Тщ, при использовании предложений к базовому сроку службы Тбаз. без их применения.

К = | = 1,67- Смеропр= Сшлиф+ Сщбр+ Спрокл=(206,3−2• 5)+(5−12−5+15• 5)+(25•7)/2=.

2526 руб.

Затраты на реализацию первоочередных мероприятий для крестовины определены исходя из норм времени на шлифовку и подготовительную работу [119] и тарифных ставок в час для шлифовальщика 4 разряда, машиниста ЭС 5 разряда по состоянию на февраль 2000 года при 2 шлифовках в год, из стоимости ежемесячных работ по смазке на начало 2000 года и скорректированной цены самой смазки по прейскуранту № 06−12−16 из расчёта 1 кг на крестовину в год, из стоимости стрелочных прокладок УП-318 со сроком службы около 10 лет на 7 брусьев. Тогда 9100(1,67−1)-2526 &bdquo-ло — ,.

Эт =-12——= 708 руб. в год на 1 перевод.

Перенос зоны перекатывания в сечения сердечника 35−40 мм позволит распределить нагрузку по большей поверхности. Расчёт необходимой ширины контактной площадки из условия минимизации пластических деформаций, проведённый для упруго-пластических задач в главе 5, показывает, что при Р=20 т/ось Bmin=20 мм, при Р=25 т/ось Bmin=27 мм при одинаковом уклоне боковых граней. Напряжённо-деформированное состояние контактной зоны, в частности тэкв., при нагрузках 25−30 т/ось в сочетании с более широким сечением сердечника при перекатывании будет соответствовать состоянию при обычной для МПС нагрузке 20 т/ось в зоне перекатывания типовой крестовины. Следовательно можно ожидать такого же срока службы — 80 млн. т брутто, то есть увеличения его при Г=20 млн. т-км/км брутто и Р=250−300 кН/ось на 1 год.

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 промпо.

212 лигоне 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 1^=10 лет (200 млн. т брутто) — К = ~- = 3,33 9100−333.

Эт = — ' = 3033 руб. в год на 1 перевод.

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 о* 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 контакта" по выкружке или с поперечным смещением колеса возникают сдвиговые напряжения 1^=1900МПа, 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 1=1075−1155 МПа, 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.

Вертикальным' дН, мм Характерные зависимости &bdquo-износа от наработки * тоннажа лая крестовин и остряков промполи-Гона и линии МПС.

8″ .

10 20 nPOHflOAVUj^i.

1. — СЕРДЕЧНИК СЕЧлоММ, р50%.

I I ¦ I '.

2. — СЕРДЕЧНИК, CEf.20мм, Р50, %.

3. — СЕРАЕчтк, СЕЧ. 2.0мм, PGS, %.

У СОВИК ГГР. НАПР, СЕЧ. 20 мм, P6S", S-ОСГРЯК-ОЕЧ. 20им — 9 — ОСТРЯК, СЕЧ50мм рис.

4 Ш—Ч—НИИ ¦¦¦!¦ «Цшш^.

МПС MAH.TSP.

5. — сердечник, сем.40мн,?50,%.

6. -сердечник, сеч. 20 мм, ?С5,Уз.

7. — ЗСОВ-ИК HR Ш?(С?Ч.40ммi 10-ОСТРЯК, СЕЧ. 20 мм di-остряк сеч.50мм.

3.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: крестовина.50−80 млн. т брутто (до наплавки), кривые и прямые остряки.60−200 млн. т брутто, рамные рельсы, соответственно.70−240 млн. т брутто, стрелочный перевод в целом.220−240 млн. т брутто.

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.

5.Модуль упругости основания перевода возрастает от стрелки к крестовине с 31 до 81 МПа, увеличивая воздействие динамических сил на элементы перевода.

6.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 ПЭВМрешения 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].

4. Применение крестовин с дополнительным припуском на наклёп в соответствии с принципом «траекториальных допущений» при малых скоростях движения [25].

5.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.

6.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].

7.Укрытие острия кривого острякового рельса путём уширения колеи до 5 мм за счёт изгиба наружу прямого рамного рельса [131].

8.Использование косых стыков при значительном преобладании одного из направлений движения.

9.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].

2.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 промежуточной аустешггной вставки с переходом к обычной рельсовой стали [32,95].

3.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.

4.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].

5 В 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. л).

Рекомендуемые технологические. мероприятия гувемчи&лю.

И.мм сР0К СКУЖ6Ы ЭЛЕМЕНТОВ, В Зависимости ОТ ЭТАПА.

РАБОТЫ конструкций ПЕРЕ&оДОВ.

ПРЕА&М""ТЕАЬНЫИ НАКАЕГТ НА МЛАоДдтЕДУНМХ (ПОДО.

Аоо.

Л50.

Т.МДИ Т БРЗТТО.

ПобЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВИВ, ИЗМЕНЁННЫЕ УДАЛЕНИЯ КОНТАКТНОЙ ГГЛо^А^кй ОТ Го-'.

Ковы к граней остряк, сечение 20 мм усовик крестовины, сечение 35 мм.

О) Предлагаемые изменения профилен колеса и кресто.

БИНЫ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЖЕЛ?3>НЫХ ДОРОГАХ С ПЕРЕНОСОМ 150 ЗОНЫ ПЕРЕКАТЫВАНИЯ.

1:20 ОЧЕРТАНИЕ КОЛЕСА.

УСОВИК I мцк 1.

12.ММ I,. 20нм I продр^ЦЫЕ п? стт КРЕСТОВИНЫ ЦОММ.

100 ми рис. 7.2.