автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Кинетика усталостного разрушения рельсовых плетей по дефектам в подошве рельса и меры по их предотвращению

МЕЖДУНАРОДНЫЙ МЕЖАКАДЕМИЧЕСКИЙ СОЮЗ

на правах рукописи УДК 625.143.3; 625.031.4

Лесун Анатолий Федорович инженер

КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ ПО ДЕФЕКТАМ В ПОДОШВЕ РЕЛЬСА И МЕРЫ ПО ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ

Специальность: 05.02.22 Организация производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Москва-2005

Работа выполнена на Горьковской железной дороге - филиале ОАО «РЖД»

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Иванов Петр Степанович

Научный консультант: кандидат технических наук доцент Косенко Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты: 1. доктор технических наук профессор Славянский Зиновий Михайлович

2. кандидат технических наук Букин Михаил Николаевич

Защита состоится « 2<г » февраля 2005 г. на заседании диссертационного Совета Д-097.024 МАИ.032, Высшей Межакадемической Аттестационной Комиссии.

С диссертацией можно ознакомиться в диссертационном Совете МАИ г. Москва, Минаевский переулок, дом 2, ауд. 7518

Автореферат разослан: « » января 2005 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экз., заверенные печатью, просим направлять по адресу: 101475, ГСП, Москва, А-55, Минаевский переулок, дом 2, МАИ Ученому секретарю Совета Г.Е. Лазареву.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д-097.024. МАИ.032, академик, доктор технических наук профессор

Лазарев

Георгий Евграфович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

В настоящее время железнодорожный транспорт Российской Федерации находится на этапе структурных преобразований, нацеленных на снижение эксплуатационных расходов и повышение эффективности его работы

В соответствии с приказом Министра Путей Сообщения № 12Ц от 16 08 94 года «О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий» осуществлен переход от планово-предупредительной системы ремонта пути к ресурсосберегающей системе эксплуатации с ремонтами объектов железнодорожного транспорта по их состоянию При этом в современных условиях работы пути нельзя допускать снижения показателей эффективности перевозочного процесса, к которым, прежде всего, относятся безопасность, надежность и бесперебойность движения поездов

Интенсивный износ рельсов в пути, большой объем изъятия дефектных и остродефектных рельсов, изломы рельсов под поездами и другие отказы верхнего строения пути вызывают значительные задержки поездов, снижают рабочий ресурс рельсов и рельсошпальной решетки, отрицательно сказываются на перевозочном процессе Изломы рельсов под поездами являются чрезвычайным событием, которые иногда приводят к тяжелейшим последствиям Наибольшее количество дефектов рельсов приходится на дефекты контактно-усталостного происхождения, а в некоторых случаях проявляется дефект 69-коррозийно-усталостная трещина по действующей классификации НТД/ЦП-93

Настоящее исследование связано с выяснением природы усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути под поездами, где проявляется дефект 69 с разработкой мер по их устранению Исследования носят практический характер и актуальны как для Горьковской железной дороги, где выполнялась настоящая работа, так и для сети дорог Российской Федерации в целом, где эксплуатируется и внедряется бесстыковой путь, и направлены на разработку и внедрение ресурсосберегающих технологий в путевом хозяйстве

Исследованию вопросов взаимодействия пути и подвижного состава, расчету напряженно-деформированного состояния пути и рельсовых плетей, усталостному разрушению рельсов под поездами, посвящены многие труды крупнейших отечественных и зарубежных ученых, таких как Альбрехт В Г, Айзенман И В , Бромберг Е М, Богданов Г И , Вериго М Ф , Барабошин В Ф , Иванов П С , Кудрявцев Н Н , Коган А Я , Конюхов А Д , Козьмин Ю Г, Колесников В А , Кадырбеков Б А., Рейхарт В А , Лысюк В С , Шмитт-Томас К.Г, Шахунянц Г.М, Фришман М А , Данилов В Н , Зверев Н Б , Левинзон М А , Певзнер В О , Пустильник Е К , Митропольский А К , Шур Е А , Шкляр В Н Серенсен С В , Иванова В С , Шарадзе О X, Якименко Ю Б и др

Большинство исследователей считают, что главной причиной изломов рельсов под поездами по дефекту 69 является интенсивная коррозия подошвы рельсов и поездные напряжения Это являлось самой общей характеристикой коррозионно-усталостного разрушения рельсовых плетей и не позволяло разработать комплекс мер по устранению причин

библиотека i

С.Петер^рг 09 ¡00./1П

Следовательно, практических рекомендаций по устранению изломов рельсовых плетей под поездами до настоящего времени не существовало

В этой связи, исследование причин усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути с целью их устранения и разработки мер по увеличению рабочего ресурса рельсов и рельсошпальной решетки железнодорожного пути носят актуальный характер

Цель исследования заключается в анализе напряженно-деформированного состояния рельсовой плети под поездной нагрузкой и поиске причин усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути под поездами

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи

• сбор и обработка статистических данных по усталостному разрушению рельсовых плетей под поездами на Горьковской железной дороге;

• оценка влияния коррозии подошвы рельсов в пути на усталостное разрушение рельсовых плетей,

• металлографические исследования срезов объемнозакаленных рельсов

Р65,

• анализ причин изломов рельсовых плетей под поездами с позиции механики разрушения,

• метрологические исследования и контроль качества изготовления элементов рельсошпальной решетки;

• исследования причин и механизма усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути под поездной нагрузкой;

• разработка ресурсосберегающей системы организационных мероприятий, технологических процессов, конструктивных решений, направленной на повышение качества изготовления элементов верхнего строения пути и качества /Сборки рельсошпальной решетки на звеносборочных базах

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые

• построены кривые усталостного разрушения объемнозакаленных рельсов по максимальному и минимальному значениям пропущенного тоннажа,

• уточнены причины и механизм усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути под поездами,

• разработаны подрельсовые прокладки с рифлением по поверхности опирания «под рельс», защищенные патентами на изобретения, которые обеспечивают улучшенный водоотвод от подошвы рельса и значительно снижают интенсивность развития коррозии по подошве рельса в узле его крепления к шпале,

• разработана и внедрена ресурсосберегающая система, направленная на повышение качества сборки рельсошпальной решетки на звеносборочных базах

На защиту выносятся: рабочая гипотеза о дополнительных напряжениях, возникающих в рельсах бесстыкового пути под поездами,

• механизм разрушения рельсов по дефекту 69, основанный на гипотезе о дополнительных локальных напряжениях, возникающих в рельсовой плети под поездами в местах некачественной сборки рельсошпальной решетки;

• кривые усталостного разрушения (кривые Велера) объемнозакаленных рельсов Р65, построенные по максимальному и минимальному значениям пропущенного тоннажа,

• конструкция подрельсовых прокладок с рифлением по поверхности опирания «под рельс», снижающих коррозию подошвы рельса в пути;

• система повышения качества сборки рельсошпальной решетки

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• установлены причины и механизм усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути под поездной нагрузкой;

• разработаны предложения по снижению дополнительных локальных напряжений, возникающих в рельсовой плети в местах некачественной сборки рельсошпальной решетки;

• разработана конструкция подрельсовых прокладок для снижения коррозии подошвы рельса в пути в рельсовом скреплении;

• повышен рабочий ресурс рельсовых плетей и рельсошпальной решетки при улучшении качества ее сборки.

Реализация результатов работы. Результаты исследований автора внедрены на Горьковской железной дороге В 1997 году на звеносборочной базе ОПМС-40 на станции Каликино была проведена опытная отработка системы повышения качества сборки новой рельсошпальной решетки.

В 1998 году на звеносборочной базе ОПМС-40 на станции Каликино была проведена учеба руководителей звеносборочных баз Горьковской железной дороги, осуществляющих сборку рельсошпальной решетки, по отбраковке негодных элементов верхнего строения пути и повышению качества сборки новой рельсошпальной решетки. С 1999 года на всех звеносборочных базах Горьковской железной дороги внедрена система повышения качества собираемой рельсошпальной решетки на железобетонных шпалах В 2004 году на Горьковской железной дороге, в соответствие с приказом 151/Н от 22 04 2004 года ведется сборка высокоточной рельсошпальной решетки при капитальном ремонте пути с шириной колеи 1520 ± 0.5 мм и 1520 ± 1.0 мм

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на технико-экономических советах Службы пути Горьковской железной дороги в 2000-2004 годах, на конференциях ДИИТ в 2000 и 2004 году, на заседании секции Путевого хозяйства Научно-технического совета МПС РФ в 2001-2004 годах, в Департаменте пути и сооружений МПС в 2002-2004 годах, на конференциях в ПГУПСе 2000-20004 годов, научно-практической конференции «Колесо-рельс 2003» ВНИИЖТ, 2003, XVII межвузовской конференции «Актуальные проблемы естествознания», Н. Новгород, РГОТУПС 2004. XI международной конференции, «Проблемы механики железнодорожного транспорта», Украина, ДИИТ, 2004. Научно-технической конференции «Современные проблемы путевого комплекса, Москва, МГУПС, 2004, V Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» Труды конференции, Москва, МГУПС, 2004.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе получено два патента на изобретения, где основные результаты принадлежат автору.

1. АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

Проблема излома рельсов в пути под поездами

Изломы рельсов под поездами приводят к тяжелейшим крушениям и значительным убыткам Любой излом рельса в пути - ситуация чрезвычайная, которая усугубляется в ряде случаев, несвоевременным его обнаружением

Изломы рельсовых плетей происходят в настоящее время и на бесстыковом пути, конструкция которого является основной и, несомненно, перспективной Сфера применения и полигон укладки бесстыкового пути расширяются за счет использования его на скоростных направлениях и в суровых климатических зонах.

Наука о транспорте не дает ответа на вопросы, связанные с природой усталостных дефектов, причинами их порождающими, условиями зарождения и развития, а в этой связи нет практических рекомендаций, направленных на устранение изломов рельсовых плетей по усталостным дефектам

В последние годы, как на Горьковской железной дороге, так и на ряде других дорог Российской федерации резко увеличилось количество изломов рельсовых плетей бесстыкового пути в узле крепления рельса к шпале Эти изломы рельсов носят усталостный характер и классифицируются либо дефектом по Рис 69 (поперечная коррозионно-усталостная трещина), либо дефектом по Рис 79 (разрушение аналогичное без видимых пороков в изломе), либо дефектом по Рис. 21 (излом рельса из-за контактно-усталостной прочности металла), либо другими дефектами, напрямую не связываемыми с напряженно-деформированным состоянием рельсовой плети.

Усталостное разрушение рельсов в пути заключается в том, что изломы происходят под поездами, преимущественно под грузовыми, и во время наибольшего охлаждения рельсовых плетей, обычно с двадцати четырех до шести часов утра по местному времени. Ситуация усугубляется, когда сечение излома рельсовой плети перекрыто клеммой и зажато клеммными болтами, а поезда следуют с установленной скоростью Разрушение рельсовой плети сокращает рабочий ресурс рельсов, а вместе с ними и ресурс рельсошпальной решетки от 2 до 12 раз

Следует отметить, что конструкция бесстыкового пути на железобетонных шпалах с объемнозакаленными рельсами Р65 считается перспективной, доля его на магистральных направлениях ОАО «РЖД» достигла 50% и продолжает расти, сокращая объем звеньевого пути на деревянных шпалах Поэтому задача по исследованию кинетики усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути носит наиважнейший характер

Задача настоящих исследований заключалась в определении первопричины зарождения и развития усталостного дефекта в подошве речьса по Рис 69 и установлении кинетики развития этого дефекта.

Для ответа на поставленную задачу были намечены следующие пути и методы решения

1 Провести анализ статистических данных усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути на примере Горьковской железной дороги.

2. Исследовать влияние коррозии металла по подошве рельса в рельсовом скреплении на усталостное разрушение рельсов.

3. Выполнить металлографические исследования срезов сломавшихся объемнозакаленных рельсов Р65 по дефекту 69

4. Произвести оценку напряженно-деформированного состояния рельсовой плети с расчетом напряжений в рельсах от поездной нагрузки

5. Выполнить расчет напряженно-деформированного состояния рельсовой плети при искажениях (отступлениях) рельсошпальной решетки.

6. Разработать методику натурного обследования мест зарождения и развития усталостных дефектов в рельсах железнодорожного пути и мест излома рельсов в пути под поездами.

7. Провести метрологические исследования рельсошпальной решетки, железобетонных шпал, элементов рельсового скрепления и ширины рельсовой колеи.

8 Раскрыть природу и механизм усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути.

9. Разработать предложения по ликвидации условий зарождения и развития усталостного дефекта в рельсах по Рис. 69.

10. Разработать предложения по продлению срока службы рельсовых плетей с дефектом в подошве рельса по Рис. 69.

Статистика изломов рельсов в пути на Горьковской железной дороге по дефектам 69 и 79

Общее количество изломов рельсов на Горьковской железной дороге, в том числе и количество изломов и по дефектам 69 и 79 представлено в виде диаграмм с 1989 года по 2004 год на Рис. 1. На Рис. 2 представлена диаграмма количества изломов рельсов по дефекту 69 на Горьковской ж. д. по месяцам в течение года. Срок службы рельсов в годах от укладки до излома и общие сведения о пропущенном тоннаже представлены графически на Рис. 3. Следует отметить, что срок службы рельсов и пропущенный тоннаж не совпадают. При одном и том же сроке службы рельсов от укладки до излома различие в пропущенном тоннаже значительное - иногда в два раза и более.

Все изломы рельсов имели место на бесстыковом пути с железобетонными шпалами, скреплением КБ, на резиновых или резинокордных подрельсо-вых прокладках. Излом рельса происходит мгновенно без каких-либо предварительных симптомов, фиксируемых визуально или дефектоскопированием. Сечение излома обычно перпендикулярно продольной оси рельса или близко к прямому углу Консоли рельсовой плети в месте излома расходятся и образуют зазор от 0 до 50 миллиметров.

Само сечение излома по дефекту 69 характеризуется наличием поперечной усталостной трещины в виде полукруга с характерными размерами <1 и Ь. Для большинства фиксируемых усталостных трещин справедливо соотношение Ь=ё/2, а значение й лежит в диапазоне от 3 до 30 миллиметров. Причем 80% разрушений характеризуется равномерным распределением количества изломов на размер усталостной трещины в диапазоне от 5 до 12 миллиметров. В некоторых случаях, поперечная усталостная трещина в сечении излома не просматривается, и излом характеризуется только интенсивной коррозией подошвы рельса (дефект 79).

о 80 о

5

о

У X

с £

50 40 30 20 10 0

!

/ ^ч 54 / 48+4 т» / ил*« А \

/ Ь^/ \

35 4 14+9/ 37+дч 28 29 27

V Л У

7 / 26+0 N / 23+0 17 20\ 4 / 1Я

9Г 2 \ ±9"*— 14 7

1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Годы

I— общее количество изломов рельсов -*— изломы по дефектам 69+79

Рис 1 Диаграмма количества изломов рельсов на Горьковской ж д по годам

1 \

1994 год 1995 год \ 1 1996 год

А / у Л ?

+ V 1 }

Л I 1 \ Л V

У »- ф- 4 IV V * * Г 1

12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12

Месяцы

ш о я 14

ь 1?

О 10

9 8

с 5 6

4

2

0

1997 год 1998 год 1999 год

\

А ■1 1 9

\ 1

- V А] г V А л- *

12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10

Месяцы

Рис 2 Диаграмма количества изломов рельсов на Горьковской ж д по месяцам в течение года

Наибольшее количество изломов рельсов по дефекту 79 зафиксировано в самое холодное время года -декабрь, январь, февраль месяцы.

Практически все изломы рельсов по дефекту 69 и аналогичные по дефекту 79 произошли на шпале, на подрельсовых прокладках в месте опирания подошвы рельса на прокладку. Сечение излома рельсов располагается, как правило, рядом с клеммой, иногда с незначительным смещением либо на принимающую, либо на отдающую часть прокладки. Иногда сечение излома расположено по клеммам рельсового скрепления.

До настоящего времени не было зафиксировано ни одного случая излома рельсов по дефектам 69 и 79 в межшпальном пространстве для плетей первой укладки.

Излом рельсов по рассматриваемым дефектам не зависит от завода-изготовителя. Изломы происходят на рельсах, выпускаемых Нгокне-Тагилъским металлургическим комбинатом (Т), Кузнецким металлургическим комбинатом (К) и комбинатом Азовсталь (А).

Месторасположение изломов по длине рельсовой плети носит случайный характер. Преимущественного излома рельсов в средней части, у концов рельсовой плети, или на уравнительных пролетах не обнаружено. План и профиль пути также существенно не влияют на количество изломов, так как они происходят на прямых и на кривых участках пути, на подъемах и спусках.

Вид тяги, а также характер тока, не оказывают влияния на количество изломов, так как они происходят на электрифицированных и не электрифицированных участках постоянного и переменного тока. Не обнаружена связь количества изломов рельсов с состоянием пути, оцениваемым по показаниям вагона-путеизмерителя. Большинство изломов происходит на пути с хорошей и отличной балльностью, и только 10% изломов на участках с неудовлетворительным состоянием пути.

Из диаграммы распределения количества изломов рельсов по месяцам в течение года (Рис.2) следует, что наибольшее количество изломов рельсов по дефекту 69 приходится на сентябрь, октябрь, ноябрь месяцы. В наиболее холодное время года - декабрь, январь, февраль увеличивается количество изломов рельсов по дефекту 79.

Наибольшее количество изломов рельсов на Горьковской железной дороге в 1994 году приходилось на путь с 10-летним сроком службы, в 1995 году на путь с 11-летним сроком службы. В 1996 году на путь с 12-летним сроком службы (Рис.3). Излом рельсов по рассматриваемым дефектам на Горьковской железной дороге имеет место на всех дистанциях, где уложен бесстыковой путь на железобетонных шпалах и скреплением КБ-65.

Наибольшее количество изломов рельсов по дефектам 69 и 79 имели место по Северному ходу Горьковской железной дороги (Шахунья - Семенов -Нижний Новгород - Владимир - Петушки), первый главный путь, на участках капитального ремонта пути 1984-1986 годов.

Обобщенные сведения о полигоне наибольшего излома рельсовых плетей на Горьковской железной дороге с 1992 по 2004 год представлены в таблице 1 В таблице представлено ежегодное количество изломов рельсов под поездами, в том числе количество изломов по дефекту 69, а также количество изломов по первому главному пути в сравнении со вторым главным на полигоне

1994 г. (37 изломов)

о

ч

т к

о Я, Е-> О С»

ё ч

о К

20 15 Ю 5

Г и СП

N 10

5 5 /

2 < V

20 15 10 5

1995 г. (48 изломов) ,24

II /

Ь

1< 2 3

5 о 7 8 9 10 II 12 13 лет 5 ь 7 В 9 10 II 12 1о

а.

б.

19% г. (39 изломов)

СУ п

со н

Щ Е-.

ч

о

Зрок служ- Зропущен-

5ы рельса 1Ый тон-

)т З'кладки наж

ю излома (в млн.

[в годах) тонн брг-тто)

7 217-59С

Ь 324-54^

9 4У5-Ь4о

10 52ь-е(Л

II Ь95-Э10

12 751-922

13 771-937

8 9 10 II 12 13 лет

в.

Рис, 3. Срок службы рельсов от укладки до излома по дефекту 69

Таблица 1. Обобщенные сведения о полигоне наибольшего излома рельсовых плетей на Горьковской ж.д. с 1992 по 2004 г.г.

Год Всего изломов на дороге по годам В том числе поД 69 (%%) Полигон наибольшего излома рельсовых плетей Шахунья - Горький -Петушки, 1-ый главный (в сравнении со 2-м главным)

Всего изломов по 1-му главному В том числе по Д69 (%%) Всего изломов по 2-му главному (%% по отношению к 1-му главному) В том числе по Д 69 (%% по отношению к 1-му главному пути)

1992 73 23 (31 5%) 24 13(54 1%) 4(16.6%) -(0%)

1993 75 45 (60%) 38 30 (78.9%) 6(15 8%) 4(13 3%)

1994 71 42 (59.1%) 48 37 (77%) 2(4 1%) 1 (2 7%)

1995 68 52 (76 4%) 48 44(91 7%) 5(10 4%) 3 (6.8%)

1996 54 37 (68 5%) 41 36 (87 8%) 3 (7 3%) 1 (2 7%)

1997 42 27 (64 3%) 29 25 (86 2%) 2 (6 8%) (0%)

1998 44 25 (56 8%) 28 24 (85 7%) 2(7 1%) (0%)

1999 34 23 (68%) 15 14 (93%) 4 (26 6%) 2(13 3%)

2000 28 14(50%) 15 13 (86 6%) 3(10.7%) 2(15 3%)

2001 21 17(89 9%) 12 10(83 3%) 1 (8 3%) (0%)

2002 29 20 (68 9%) 19 17(89 4%) 2(10 5%) (0%)

2003 16 7 (43 7%) 10 6 (60 0%) 1 (10 0%) (0%)

2004 27 18(66 6%) 8 7 (87 5%) 4 (50.0%) 2 (25%)

наибольшего количества изломов. Участок, представляющий собой 7% развернутой длины дороги, дает 60% количества изломов, в том числе более 80% изломов по дефекту 69. Количество изломов по второму главному пути в десять раз меньше, а изломов по дефекту 69 в двадцать шесть раз меньше, чем по первому главному.

На некоторых участках Горьковской и Шахунской дистанций пути после капитального ремонта произошло до четырех изломов рельсов на пикете и до десяти изломов на километре по дефекту 69

Эти участки пути являются уникальными для выяснения причин зарождения и развития дефекта 69. В этой связи Горьковская и Шахунская дистанции пути были приняты за основной полигон исследований, где устанавливались причины излома и где заложены опытные участки пути, за которыми ведутся наблюдения, на которых апробируются предложения, устраняющие изломы рельсов в пути по 69 и 79 дефектам

Определение причин излома рельсов в пути по дефектам 69 и 79 Главным вопросом рассматриваемой проблемы являются причины изломов рельсов по указанным дефектам. Необходимо бороться не с изломами рельсов, а с причинами их порождающими Во всех научных публикациях, посвященных данному вопросу причины излома рельсов по дефектам 69 и 79 носят предположительный характер. Из теоретических рассуждений и высказанных гипотез не следует практических рекомендаций, направленных на устранение появления и развития усталостных дефектов Статистический материал по дефектам и изломам рельсов на сети дорог РФ хорошо согласуется со статистикой изломов рельсов на Горьковской железной дороге.

Не отвечает на поставленный вопрос о природе дефекта 69 и Нормативно-техническая документация ЦП МПС, содержащая классификацию дефектов рельсов.

По результатам натурного обследования рельсов в пути в местах излома по дефектам 69 и 79 на одних и тех же участках было установлено единственное отличие - в сечении излома рельсов по дефекту 79 не просматривается усталостная трещина по подошве рельса Одной из вероятных причин разрушения рельсов по дефектам 69 и 79 является коррозия подошвы рельсов. Тогда почему же срок службы одних и тех же рельсов, на одних и тех же участках от укладки до излома отличается разбросом в два и более раза, а по пропущенному тоннажу (млн тонн брутто) в пять и более раз (Рис.3). Почему излом рельсов в пути носит локальный, случайный и непредсказуемый характер? Каковы предпосылки для возникновения и развития дефектов, приводящих к излому рельсов"? И множество других «почему», на которые необходимо ответить, чтобы достоверно представить картину разрушения рельса в пути по данным дефектам и устранить причины их появления и развития

Прежде всего, следует отметить, что усталостное разрушение рельсов в пути носит системный характер, то есть проявляется там, где уложен бесстыковой путь на железобетонных шпалах со скреплением КБ. Следовательно, основные причины, вызывающие изломы рельсов в пути по усталостным дефектам связаны с недостатками конструкции бесстыкового пути и технологий его укладки, что создает высокие напряжения в рельсовой плети, приводит к корро-

зии подошвы рельса, вызывает развитие коррозионных и усталостных трещин и последующее разрушение рельсовых плетей под поездами

Все случаи изломов рельсов на Горьковской железной дороге фиксировались актами с составлением учетной формы ПУ 69 2. С целью выяснения причин усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути проведен анализ и обработка статистических данных, фиксируемых учетной формой В результате были построены кривые, характеризующие зависимость размера усталостной трещины в подошве рельса от перепада температур с1 = Г (Д1), кривые наработки Т= f (ф по максимальным (кривая 1) и минимальным (кривая 2) значениям пропущенного тоннажа, которые представлены графически на Рис. 4 и Рис. 5 После обработки статистических данных и расчета величины критических напряжений разрушения были построены кривые усталостного разрушения обьемнозакаленных рельсов Р65 (кривые Велера) N = £ (а^) по максимальным (кривая 1) и минимальным (кривая 2) значениям пропущенного тоннажа, которые представлены на Рис. 6.

Здесь: с! - характерный размер усталостной трещины;

Т - пропущенный тоннаж в млн т км брутто на км пути;

N - количество циклов нагружения рельсовой плети;

а^- критическое напряжение в рельсовой плети при разрушении;

Д1 = 1р - перепад температур; -температура закрепления плети;

1р - температура плети при разрушении.

Анализируя зависимость <1 = Г (М), представленную графически на Рис. 4 можно констатировать, что усталостное разрушение рельсовых плетей имеет определенную закономерность. Изломы рельсовых плетей происходят круглый год. Изломы рельсов характеризуются наибольшим перепадом температур по дефекту 79, для которого размер усталостной трещины равен нулю. В осенне-зимнее время года происходят изломы рельсов с минимальным размером усталостной трещины от 0 до 10-12 мм. В весенне-летний период размер усталостной трещины при изломах рельсов изменяется от 10 до 30 мм.

Наименьшую наработку по пропущенному тоннажу дают изломы рельсов по дефекту 79 и с минимальным размером усталостной трещины в 3-5 мм (Рис. 4).

Наибольшую наработку по пропущенному тоннажу дают изломы рельсов с максимальным размером усталостной трещины в 20-30 мм.

Для одного и того же размера усталостной трещины разница в пропущенном тоннаже по кривым максимальных и минимальных значений изменяется от 30% до 300% от минимального значения.

На основании статистических данных построены кривые усталостного разрушения обьемнозакаленных рельсов Р65 (Рис. 6).

Они строились по характерному размеру усталостной трещины ё, которому соответствует критическое напряжение разрушения в рельсовой плети

(о кр-).

Р

40

30

¿и

) V 1 \Т7

А ц V ---------- ш\н (

' А >4 К. ^ 3

1 ^ 1

Зима Осень Бе с на Летэ -^

10

15

25 ЗС

Рис. 4 Зависимость размера усталостной трещины от перепада температур

сС1

200

400

Ь00

800

1000 1200 Т&ЛЛН.

15 2С 25

30 6.

-^ - --»о.

чш • 0 '

2\ А Г71 1 ) ^Чл, (71\ 1

Л VI Чл \

|мм]

Рис.5. Кривые предельной наработки объемнозакаленных рельсов Р-65

1-максимальная наработка рельса до разрушения,

2-минимальная наработка рельса до разрушения

^ривые--уеталосдаггггразругеЖя обемнозакаленнык рельсов Р65

1-максимальная наработка до разрушения,

2-минимальная наработка до разрушения

Для каждого размера усталостной трещины, а, следовательно, и уровня критических напряжений нанесены только минимальные значения пропущенного тоннажа (кривая 1) и максимальные значения по тоннажу(кривая 2) Значения циклической нагрузки, которые соответствуют пропущенному тоннажу в млн тонн брутто, и является среднестатистической осевой нагрузкой подвижного состава условно приняты за 10 тс

Кривые усталостного разрушения объемнозакаленных рельсовых плетей построены по максимальному и минимальному срокам службы рельсов от укладки их в путь до излома. Прежде всего, следует отметить, что обе кривые идентичны. Каждая кривая характеризует влияние критических напряжений в рельсовой плети на срок службы рельсов. Для кривой максимальных значений снижение срока службы рельсов при увеличении критических напряжений произошло в 4 раза, а для кривой минимальных значений в 9 раз. Общее максимальное снижение срока службы рельсов по кривым усталостного разрушения произошло в 10-12 раз' Расхождение значений между кривыми 1 и 2 характеризует влияние условий эксплуатации железнодорожного пути на срок службы рельсов, а в более широком смысле - программу нагружения

Кривые усталостного разрушения раскрывают основные причины появления и развития усталостных дефектов в рельсовых плетях, которые можно сформулировать следующим образом:

• высокий уровень напряжения в рельсовых плетях;

• перегрузка рельсовых плетей до критических напряжений при разруше-

нии в 5000кгс/см2 и более;

• значительное влияние условий эксплуатации на срок службы рельсов в

пути.

Анализ статистических данных усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути по дефекту 69 позволяет создать следующие выводы:

1. Построение кривых предельной наработки объемнозакаленных рельсов Р65 и кривых усталостного разрушения по максимальной и минимальной наработке до разрушения является важнейшим этапом на пути познания природы усталостных дефектов в подошве рельса по Рис. 69

2. Главной и определяющей причиной усталостного излома рельсов является высокий уровень критических разрушающих напряжений в рельсовой плети.

3. Критические напряжение при разрушении рельсовой плети изменяются от 1000кгс/см2 до 5000кгс/см2 и более, что указывает на большой диапазон перегрузок рельсовой плети.

4. Условия эксплуатации железнодорожного пути существенно влияют на срок службы рельсов до разрушения.

5. Отношение максимальной наработки по тоннажу до разрушения рельса Р65 к минимальной наработке достигает 10-12 кратных значений

6. Характерный размер усталостной трещины при изломах рельсовой плети по дефекту 69 изменяется в диапазоне от 3 до 30 мм

7. Излом рельсовой плети по дефекту 79 является частным случаем дефекта 69, когда усталостная трещина в сечении излома не просматривается (¿ = 0).

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ НА УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ РЕЛЬСОВ В ПУТИ.

Металлографические исследования срезов объемно-закаленных рельсов р65

Изломы рельсов в пути по усталостным дефектам происходят, как правило, локально на одних и тех же участках пути. В этой связи естественно возникает вопрос о качестве уложенных рельсов на этих участках и об их соответствии ГОСТам на «Рельсы железнодорожные типа Р65».

Для ответа на поставленный вопрос проводились металлографические исследования объемнозакаленных рельсов как во ВНИИЖТе, так и на ряде железных дорог, в том числе и на Горьковской железной дороге. Результаты металлографических исследований срезов рельсов Р65 при изломах по дефектам 69 и 79 во всех случаях были одинаковыми и подтверждали полное соответствие рельсов и рельсовой стали ГОСТам «Рельсы железнодорожные типа Р65».

Далее приведем некоторые результаты металлографических исследований, проводимых по заказу Горьковской железной дороги, в лабораториях металлургических заводов и лабораториях ВУЗов. Два среза одного и того же излома передавались в разные лаборатории, которые проводили независимые металлографические исследования. Полученные результаты и заключения были одинаковыми, что не вызывало сомнений в их достоверности.

Отбор проб для химического анализа и микроанализа происходил по 4-м контрольным точкам сечения излома рельса (Рис. 7). Излом рельса имеет типичный вид, характерный для усталостного разрушения. В подошве рельса в средней трети располагается усталостная трещина и лучи, расходящиеся от нее, обнаруживаемые визуально. Качество металла хорошее Толщина коррозионного слоя небольшая, не более 1 мм, и не превышает критической величины 7 мм для Р65.

Химический состав стали на соответствие ГОСТ 24182-80 проводился по всему сечению рельса по 4-м контрольным точкам Определение состава стали, производилось с использованием методов атомно-эмиссионного и атомно-абсорбционного анализа. Определение количества циркония, титана, ванадия, фосфора производилось атомно-эмиссионным методом Для этого образец пробы металла вводился в разряд графитного электрода, в его кратер. Возбуждение спектра осуществлялось с применением генератора дугового разряда постоянного тока марки ОБИ-1 фирмы Цейс.

Регистрация спектров производилась на спектрографе СТЭ-1 со смещенной дисперсией, при этом использовались фотографические спектральные пластины ПФС-02 чувствительностью 7 ед. Для количественного определения элементов использовались государственные образцы сравнения типа СОТ Величина относительного, стандартного отклонения (ошибка) не превышает 0,2

Определение количества марганца, кремния, мышьяка, производилось методом атомной абсорбции, в частности:

• -марганца - в пламени ацетилен-воздух;

• -кремния - в пламени закись азота-ацетилен;

"II Область цкклИЧеск: III

Л'х Л/[иикл]"

Рис 9 Кривая усталости ( Кривая Велера )

• -мышьяка - с использованием гидридного способа, путем использования специальной, стандартной программы, имеющейся в приборе спектрофотометра фирмы Перкин-Элмир, модель 603. Относительное, стандартное отклонение (ошибка) не превышает 0,05.

В составе стали, обнаружено углерода - 0,77%, серы - 0,026%, агрессивных элементов (по стилоскопу) не обнаружено.

Результаты по определению химического состава рельсовой стали двумя металлографическими лабораториями представлены в таблице 2. Таблица 2. Химический состав рельсовой стали._

№№ пробы Содержание элементов в %

С Мп Si Р S As Сг Ni Cu

Содержание элементов в % по ГОСТ 24182-80

0.71-0.82j 0.751.05 0.180.40 0.025 0.045 0.15 - - -

Лаборатория металлургического завода

1 0.77 0.86 0.24 0.019 0 028 .013 - - -

2 0.77 0.99 0 24 0.019 0.026 0.13 - - -

3 0.77 0.99 0.24 0.017 0.029 0.14 - - -

4 0.77 0.94 0.24 0.017 0.029 0.14 - - -

Лаборатория технического университета

1 0.77 0.87 0.022 <0.02 0.027 0.132 - - -

2 0.77 0.91 0.22 0.02 0.028 0.13 - - -

3 0.77 0.91 0.22 0018 0.028 0.13 - - -

4 0.77 0.90 0.22 0.018 0.028 0.13 - - -

Заключение: По химическому составу рельсовая сталь отвечает требованиям ГОСТа 14182-89 марки М-76.

При коррозии рельсовой стали, возникает два оксида: при ограниченном подводе кислорода гидрооксид железа (II) Fe (ОН)2, при усиленном подводе кислорода гидрооксид железа (1П) Fe (ОН)3 или Ре203Ш FO. Из гидрооксида железа (II) образуется в качестве сухого вещества магнезит Fe30, а из гидрооксида железа (Ш) возникает в качестве сухого вещества гематит Fe203, который в атмосферной коррозии известен как железная ржавчина.

Микроанализ рельсовой стали, проводился по тем же контрольным точкам, что и химический анализ. Структура металла представляет собой сорбит закалки с твердостью НРСэ 35 и не превышает величины, указанной в ГОСТах для подошвы рельса Рельсовая сталь загрязнена неметаллическими включениями: силикатами, шлаковыми включениями, раскатанными газовыми пузырьками. В подошве рельса от усталостной трещины наблюдается сетка мелких трещин, заполненных шлаком. Длина отдельных трещин составляет 0,05-0,72 мм. Каких-либо структурных изменений в этой зоне не наблюдается Поперечные и продольные трещины и разрывы металла больше располагаются в подошве рельса Заключение металлографических лабораторий следующее: 1 Химический состав рельса Р65 в местах излома по усталостным дефектам по 4-м контрольным точкам соответствует ГОСТу 24182-80.

2. Структура рельсовой стали, соответствует термоупрочненному состоянию.

3 В зоне усталостной трещины и металле по подошве рельса каких-либо структурных изменений не обнаружено.

4. Никаких агрессивных химических элементов в составе рельсовой стали, не обнаружено.

5. Никаких посторонних включений или механических дефектов в сечении излома нет.

Таким образом, результаты проведенных металлографических исследований срезов объемнозакаленных рельсов Р65 и химический состав рельсовой стали, подтверждают их полное соответствие ГОСТам «Рельсы железнодорожные, объемнозакаленные типа Р65». Причем подобные исследования проводились много раз и во многих организациях и во всех случаях результаты были аналогичные нашим.

В этой связи следует подчеркнуть тот факт, что усталостным разрушениям в пути подвержены качественные объемнозакаленные рельсы. Поэтому вопрос о причинах усталостных дефектов требует дальнейшего и детального исследования.

Механизм зарождения и развития коррозии по подошве рельса в пути.

Зарождение и развитие интенсивной коррозии подошвы рельса происходит локально в зоне рельсового скрепления в месте опирания подошвы рельса на подрельсовую прокладку Вода, преимущественно атмосферная, скатываясь с пера подошвы рельса, попадает в зазоры между подошвой рельса и ребордами подкладок, в нише которых располагаются прокладки. Влага, попавшая в пространство «подошва рельса - подрельсовая прокладка», очень хорошо сохраняется в щели с малой поверхностью испарения, вызывая зарождение и развитие коррозии. Наиболее интенсивно это происходит в тех случаях, когда подрельсовая прокладка полностью перекрывает нишу подкладки, что способствует попаданию воды под подошву рельса. Если подрельсовая прокладка имеет размер «под рельс» меньше размера ниши подкладки, то между ребордами подкладки и прокладкой существуют зазоры, которые снижают вероятность попадания воды под подошву рельса, но полностью не исключают.

Все типовые подрельсовые прокладки, укладываемые в путь до настоящего времени, а именно ЦП-318, ЦП-356, ЦП-143, ЦП-363, не имеют рифления по поверхности опирания «под рельс» Именно этот конструктивный недостаток подрельсовых прокладок вызывает интенсивное зарождение и развитие коррозии под подошвой рельса при попадании влаги на подрельсовую прокладку Как показали наблюдения, влага на перечисленных типовых подрельсовых прокладках сохраняется круглый год.

Основными причинами ускоренной коррозии подошвы рельса в узле его крепления к шпале являются вода и форма подрельсовой прокладки, которая хорошо собирает и сохраняет влагу в местах контакта подошвы рельса с прокладкой из-за отсутствия рифления поверхности прокладки «под рельс». В ТУ 32 ЦП 816-95 «Прокладки резиновые подрельсовые», все типовые подрельсовые прокладки не имеют рифления по поверхности опирания под подошву рельса, что законодательно создает условия для ускоренной коррозии подошвы рельса

Рис.8. Лабораторный имитатор для выявления интенсивной коррозии на подошве рельса на различных прокладках

В связи с тем, что для условий эксплуатации железнодорожного пути влага может попасть и зачастую попадает между подошвой рельса и прокладкой, где нет рифления, то условия для ускоренной коррозии подошвы рельса могут быть созданы всеми типовыми подрельсовыми прокладками По этим соображениям ни одна конструкция типовых подрельсовых прокладок не пригодна для укладки в путь

С целью изучения процесса зарождения и развития коррозии по подошве рельса на различных подрельсовых прокладках, на Горьковской железной дороге в 1995 году был заложен опытный участок пути на различных подрельсовых прокладках В путь на опытном участке были уложены различные подрельсовые прокладки, в том числе и все типовые, для проведения сравнительных наблюдений за появлением и развитием коррозии по подошве рельса в пути Резиновые прокладки были выполнены с продольным и поперечным рифлением, с продольными и поперечными канавками, со сквозными отверстиями и упорами, различные по размерам и материалам, а также конструктивному исполнению

Исследование условий зарождения и развития коррозии по подошве рельса изучалось и в лабораторных условиях на специальных имитаторах, представленных на Рис. 8

В результате сравнительных наблюдений, проведенных на опытном участке пути и в лабораторных условиях были сделаны следующие выводы:

1 Рифление на опытных подрельсовых прокладках по поверхности опирания «под рельс» значительно улучшило отвод воды от подошвы рельса и снизило процесс зарождения и развития коррозии

2 Вода, под подошвой рельса сохраняется на типовых подрельсовых прокладках круглый год, даже в самое жаркое время года.

3 В период осенних затяжных дождей наличие влаги между подошвой рельса и подрельсовой прокладкой фиксировалось в 100% объеме для типовых подрельсовых прокладок и для большинства опытных подрельсовых прокладок.

4 Наилучшим по отводу влаги от подошвы рельса оказались подрельсовые прокладки ОП35-97 со сквозными отверстиями прокладки ОП-513 с продольными канавками и прокладки с поперечным рифлением

5 На подрельсовых прокладках ОП35-97 и прокладках с поперечным рифлением, развития коррозии по подошве рельса, за двухлетний период наблюдений, не отмечено

Разработка новых подрельсовых прокладок велась из условия, что влага в обязательном порядке попадает под подошву рельса, а дополнительная функция подрельсовых прокладок заключалась в том, чтобы быстро отвести влагу в сторону и обеспечить проветривание и испарение влаги попавшей под подошву рельса

Резиновые подрельсовых прокладки со сквозными отверстиями, поперечным и продольным рифлением испытывают деформацию под поездной нагрузкой, в результате чего объем канавок периодически то уменьшается, то увеличивается Поэтому подрельсовые прокладки «дышат» под поездами, что способствует быстрому испарению влаги, попавшей под подошву рельса

Новые подрельсовые прокладки, разработанные и запатентованные Горь-ковской железной дорогой, практически решают проблему по ликвидации коррозии подошвы рельса в узле его крепления к шпале и предлагаются к внедрению на сети дорог МПС РФ.

Проведенные исследования по влиянию дополнительных факторов на усталостное разрушение рельсов в пути, позволяют сделать следующие выводы:

1. Усталостным разрушением в пути подвержены качественные объемно-закаленные рельсы, не имеющие внутренних дефектов.

2. Коррозия подошвы рельса в рельсовом скреплении не является главной причиной усталостного разрушения рельсов в пути под поездами.

3.Коррозия подошвы рельса в узле его крепления оказывает существенное влияние на усталостное разрушение рельсовой плети и снижает рабочий ресурс до разрушения по пропущенному тоннажу

4. В пятнах коррозии по подошве рельса образуется сетка поперечных и продольных трещин коррозионного характера.

5. Коррозия подошвы рельса в пути имеет химическую природу, а по форме относится к коррозионному растрескиванию под напряжением.

6. Основной причиной ускоренной коррозии подошвы рельса в узле его крепления к шпале являются атмосферная вода и форма типовых подрельсовых прокладок, которые не имеют рифления по поверхности опирания «под рельс».

7. Влага, попавшая в пространство «подошва рельса - подрельсовая прокладка», хорошо сохраняется в щели с малой поверхностью испарения, что способствует зарождению и развитию коррозии под подошвой рельса на всех типовых подрельсовых прокладках.

8. Лучшими подрельсовыми прокладками, на которых не возникает и не развивается коррозия по подошве рельса являются прокладки ОП35-97, ОП-513 и ОП34-97.

9. На Горьковской железной дороге прошло испытание новых подрельсовых прокладок с рифлением по поверхности опирания «под рельс», которые характеризуются быстрым отводом воды, попавшей под подошву рельса

3. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ПЛЕТИ

Техническое применение механики разрушений к анализу причин изломов рельсовых плетей

Настоящий раздел посвящен оценке напряжений, возникающих в рельсовой плети, поиску их природы и оценке влияния возникающих дополнительных напряжений на рабочий ресурс рельсовых плетей бессгыкового пути с позиций механики разрушения. Основные допущения, принятые в рассмотрении и значительно упрощающие изучение усталостного разрушения рельсовых плетей заключаются в изучении взаимодействия пути и подвижного состава на прямом участке пути с отличной балльностью и вполне исправным подвижным составом.

Для оценки способности материала сопротивляться действию циклических напряжений и для изучения различных стадий усталостного разрушения в технике широко используют кривые усталости, которые устанавливают связь между уровнем переменного напряжения и числом циклов до разрушения (кривые Велера) Кривые усталости строят в координатах о = Г (Ы) или а = Г (^И) по результатам испытаний,

где с - характерное напряжение;

N - число циклов до разрушения.

В общем случае, поездная нагрузка характеризуется знакопеременными асимметричными циклами, которые оцениваются коэффициентом асимметрии цикла г: г = стт/ о^

Коэффициент асимметрии является важной характеристикой цикла и для полной оценки характера циклической нагрузки достаточно знать коэффициент асимметрии и одно из характерных напряжений цикла Для большинства сталей (сплавов) можно установить такое максимальное напряжение цикла, при котором материал не разрушается при неограниченно большом числе циклов работы. Такое напряжете называется физическим перелом усталости или пределом выносливости ог. На Рис. 9 в общем виде показана полная кривая усталости в диапазоне напряжений от предела прочности <Ть до предела выносливости ог.

Кривая усталости разделяется на области малоцикловой усталости (линия АБВГ) и многоцикловой усталости (линия ГДЕЖ). Между областями малоцикловой и многоцикловой усталости находится переходная область, к которой относятся усталостные разрушения с напряжениями <тр" и стк. Область малоцикловой усталости разделяется на три участка, где 1-й участок - линия АБ - участок квазистатического излома. Образец разрушается с образованием шейки без образования усталостной трещины 2-ой участок- линия БВ - участок циклической ползучести В этом случае разрушение по виду не отличается от квазистатического излома, но на поверхности излома уже наблюдается зародыш усталостной трещины. 3-ий участок - линия ВГ - участок усталостного разрушения, которому предшествует образование усталостной трещины

Многоцикловая усталость - линия ДЕ - характеризуется изменением механических и физических свойств металлов и сплавов. Причем, первый инкубационный период усталостного разрушения характеризуется тем, что накопленные в материале повреждения носят обратимый характер - период обратимых повреждений. Далее наступает период разрыхления, который иногда называют периодом необратимых повреждений, и характеризуется ростом трещин до микроскопических размеров. Затем наступает период развития микротрещин до макротрещин критического размера, который завершается периодом окончательного разрушения. Начало окончательного разрушения происходит тогда, когда трещина достигает критической длины. Дальнейший рост трещины замедлить, или как-то регулировать его не всегда удается, т.е. разрушение носит спонтанный, неуправляемый характер.

На поверхности усталостного излома, как правило, наблюдается две зоны: одна гладкая, притертая - зона развития трещины, другая - зернистая - зона окончательного излома с признаками свежего хрупкого разрушения.

Усталостные свойства металлов существенно зависят от вида напряженного состояния. Согласно многочисленным экспериментальным данным, были установлены соотношения между пределами выносливости для симметричного цикла при различных видах деформации и, в частности, для гладких цилиндрических образцов стали:

<т.,° = 0,7 о.,* = 0,28ов (3-1)

о.1 = 0,55 = 0,22 ов

где о.," - предел выносливости при изгибе;

о.," - предел выносливости при растяжении - сжатии; о., - предел выносливости при кручении; 0„ - предел прочности при растяжении.

Приведенные расчетные зависимости (3-1) справедливы для цилиндрических стальных образцов с фиксированным нагружением. Для рельсовых плетей эти зависимости дают завышенное значение пределов выносливости. Однако, на основании статистических данных расчетными формулами (3-1) можно воспользоваться для качественной оценки пределов выносливости рельсовой стали.

Если принять для рельсовой объемнозакаленной стали ств = 12000 кг/см2, то тогда:

в.* = 4800 кг/см2 0.1° = 3360 кг/с О.,0 = 2640 кг/см2

Для условий работы рельсовой плети можно получить зависимость для определения максимально возможного значения напряжения, при котором сечение с усталостной трещиной, характеризуемое размером ё, будет ещё в равновесии. Такое напряжение возникает в подошве рельса и называется критическим напряжением (о,ф)

Расчетная зависимость имеет следующий вид:

где. уп = 2x106 эрг/см2 - удельная работа пластической деформации на единицу поверхности трещины;

7о= 2х103 эрг/см2 - удельная поверхностная энергия металла

По данной зависимости можно определить величины критических растягивающих напряжений в подошве рельсовой плети при известном размере усталостной трещины (1.

Результаты расчета критических напряжений в подошве рельсовой плети в зависимости от размере усталостной трещины сведены в таблицу 3 и представлены графически на Рис. 10.

Таблица 3. Зависимость критических напряжений разрушения от размера усталостной трещины __

№ п/п Размер усталостной трещины <1 (см) Величина критических напряжений а^ [кгс/см2]

1. 0 05 7388

2 0 1 5224

3 02 3694

4. 03 3016

5 04 2612

6 05 2336

7. 06 2132

8 07 1974

9 08 1847

10 09 1741

11. 1.0 1652

12 1 2 1508

13. 1 4 1396

14 1.6 1306

15. 1.8 1231

16 2.0 1168

17 2.5 1045

18. 3.0 954

19 3.5 883

20 40 826

Обращает на себя внимание факт наличия высоких критических напряжений, особенно при малых размерах усталостной трещины (Таблица 3) и Рис 9 Возникает вопрос, откуда же в подошве рельсовой плети возникают высокие критические напряжения, достигающие значений 5000-7000кгс/см2 и более?

В результате рассмотрения работы бесстыкового пути с позицией механики разрушения, было установлено наличие очень высоких критических напряжений в подошве рельсовой плети, что потребовало внимательного изучения напряженно-деформированного состояния рельсовой плети и оценки величин действующих напряжений.

Зависимость величины критических напряжений разрушения от размера усталостной трещины

Рис. 10

Рис. И Расчетные значения изгибных напряжений в рельсовой плети от осевой нагрузки

Изгибные напряжения в рельсовой плети от поездной нагрузки

Расчет изгибных напряжений в рельсах определен «Правилами производства расчетов пути на прочность», утвержденными ЦП МПС в 1954 году, а затем дополненными в 1961 и 1971 годах В расчетных схемах рельсы рассматриваются как балки бесконечной длины, лежащие на сплошном однородном упругом основании или как балки, лежащие на отдельных упругих опорах Для расчета изгибных напряжений в рельсе примем те же допущения и предпосылки, оговоренные «Правилами расчета» Наибольшие изгибные растягивающие напряжения возникают в подошве рельса оп0 и находятся по общеизвестной формуле определения нормальных напряжений при изгибе:

апо = ^ (3-3)

где: V/,, - момент сопротивления относительно подошвы рельса (для Р65 \УП = 435 см3).

В случае, если рельс рассматривается как неразрезная балка бесконечно большой длины неизменного сечения, лежащая на сплошном однородном упругом основании, изгибающий момент равен:

(3-4)

М = —р, 4 К

где: К=

коэффициент относительной жесткости рельсового основа-

ния и рельса.

и- модуль упругости подрельсового основания и представляет собой погонный упругий отпор основания, отнесенный к единице прогиба. Для пути с железобетонными шпалами на резиновых прокладках и=1000-2000 кг/см4 летом и и=2000-4000 кг/см4 зимой

Е - модуль упругости стали, равный 2.1 106 кг/см2;

I - момент инерции рельса Р65 равный 3540 см4

В этом случае:

Кл = 0.0135 1/см, К3 = 0 016 1/см

Эпюры сил и моментов от приложения осевой нагрузки представлены в работе [ 1 ] Для сечения приложения нагрузки ц=1.

Тогда изгибающий момент в рельсовой плети

М(летн) = 18.5Р;

М (зимн.) = 15.6 Р

Результаты расчета изгибных напряжений в рельсовой плети в зависимости от осевой нагрузки сведены в таблицу 4 и представлены графически на Рис 11

№ Осевая Нагрузка от Напряжения растяжения в Напряжения сжатия в

п/п нагрузка Р (тс) колеса Р/2 (тс) подошве рельса о по (кг/см2) головке рельса в по (кг/см2)

летом летом летом зимой

кг/см2 кг/см2 кг/см2 кг/см2

1 5 25 106 90 129 109

2 10 50 212 180 258 217

3 15 75 318 270 387 326

4 20 10.0 424 360 516 435

5 25 150 636 540 775 653

6 30 15.0 636 540 775 653

Далее, рассмотрим рельс как балку, лежащую на отдельных упругих опорах, на которых возникают сосредоточенные силы. Расчетная схема этого случая представлена также в работе [ 1 ] .

Наибольший изгибающий момент в рельсовой плети при неблагоприятном распределении сосредоточенной нагрузки от колесных пар тележки достигает величин Мшах = 0.26Р1-0.31Р1.

При 1 = 55 см Мшах = 17.05 Р [кгм]

Результаты расчета изгибных напряжений в рельсовой плети для данной расчетной схемы в зависимости от осевой нагрузки Р сведены в таблицу 5 и представлены графически на рис. 11.

Таблица 5. Результаты расчета изгибных напряжений в рельсовой плети в зависимости от осевой нагрузки.___

№ п/п Осевая нагрузка Р (тс) Нагрузка от колеса Р/2 (тс) Напряжения растяжения в подошве рельса а по (кг/см2) Напряжения сжатия в головке рельса о „о (кг/см2)

1 5 2.5 98 119

2. 10 5 196 238

3. 15 7.5 293 357

4. 20 10 392 476

5. 25 12.5 490 595

6. 30 15 588 714

Расчетные величины изгибных напряжений в рельсовой плети от поездной нагрузки, представленные в таблице 4, 5 и на Рис. 11 по сравнению с критическими напряжениями (таблица 3 и Рис 10) крайне незначительны и не могут быть определяющими в усталостном разрушении рельсов под поездами.

Далее если усложнить рассматриваемую задачу, учтя динамическое взаимодействие пути и подвижного состава и появление дополнительных боковых сил на прямом участке пути, то изгибные напряжения в рельсовой плети возрастут .Даже увеличение изгибных напряжений на 10, или 20, или 30 процентов не объясняет картины усталостного разрушения рельсовых плетей под поездами.

Таким образом, мы констатируем - значительное несоответствие критических напряжений в подошве рельсовой плети при разрушении и циклических изгибных напряжений от поездной нагрузки. Расхождение значительное, практически в десять раз, и никакой точностью расчетов этого объяснить нельзя Оценка температурных напряжений в рельсовой плети Существенным недостатком бесстыкового пути, влияющим на механизм излома рельсовых плетей по усталостным дефектам 69 и 79, являются значительные продольные усилия, вызванные изменениями температур. При повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления в них возникают продольные силы сжатия, которые создают опасность выброса пути. При понижении температуры по сравнению с температурой закрепления в рельсовой плети появляются растягивающие напряжения, которые усугубляют напряженно-деформированное состояние рельсовой плети,

что способствует увеличению количества изломов рельсовых плетей по усталостным дефектам в осенне-зимний период.

Рассматриваемая конструкция бесстыкового пути на железобетонных шпалах с рельсами Р65 допускает эксплуатацию рельсовых плетей без сезонных разрядок с постоянной температурой закрепления рельсовых плетей

t3 = 20°С [2]

Приращение длины рельсовой плети А i определяется по следующей зависимости:

Al = 0.0000118L(20-t„)

где: t, - текущая температура рельса.

С изменениями температуры рельса на 1° С продольные температурные напряжения в рельсовой плети изменяются на 25кг/см2 (2 45 МПа). Основная расчетная зависимость температурных напряжений в неподвижной рельсовой плети имеет следующий вид:

а 1 = Eat

При подстановке в расчетную формулу значений Е и а а 1« 25t кгс/см2

Для диапазона изменения температуры рельсов, характерного для Горь-ковской ж д [+57°С - (-47°С)], рассчитаны параметры рельсовой плети из Р65 по методике, изложенной в литературе и результаты расчета сведены в таблицу 6

Таблица б. Параметры рельсовой плети из рельсов Р65

Температура * 0 г> рельса t, С Температурные напряжения а | кг/см2 Продольная сила в рельсовой плети (тс) N Нереализованное приращение длины ±Дцмм], L= 1000м

60 -1000 -82.60 +472

50 -750 -61.95 +354

40 -500 -41.30 +236

30 -250 -20.65 +118

20 0 0 0

10 +250 +20.65 -118

0 +500 +41.30 -236

-10 +750 +61.95 -354

-20 +1000 +82.60 -472

-30 +1250 +103.25 -590

-40 +1500 +123.90 -708

-50 +1750 +144.60 -826

Полученные результаты справедливы при ряде допущений, и прежде всего, при отсутствии продольного смещения рельсовой плети и равномерном распределении температурных напряжений вдоль пути

Таким образом, можно констатировать, что наибольшие растягивающие температурные напряжения в рельсовой плети возникают в самое холодное время года и достигают абсолютной величины <у' « 1500 кгс/см2 Эта же цифра подтверждается и статистической зависимостью с1 = / (0 представленной нами анее, где наибольший температурный перепад Аг = — 1р составляет что также соответствует растягивающему напряжению а* ~ 1500 кгс/см2

Если даже, максимальные изгибные напряжения сложить с максимальными температурными напряжениям и в рельсовой плети, то суммарное напряжение все равно будет значительно меньше критических напряжений разрушения.

В качестве гипотезы, можно предположить, что в рельсовой плети бесстыкового пути возникают локальные дополнительные напряжения, природа которых до настоящего времени оставалась не раскрытой.

Дополнительные напряжения в рельсовой плети, связанные с условиями эксплуатации

Кроме поездных изгибных напряжений и температурных напряжений возникающих в рельсах при эксплуатации железнодорожного пути в рельсах возникают и дополнительные напряжения, отражающие условия взаимодействия пути и подвижного состава.

К ним относятся дополнительные динамические напряжения, связанные с состоянием пути и вписыванием подвижного состава в кривые; перегрузка рельсов от удара ползунов с предельно допустимой величиной в 2 мм; возможные напряжения, связанные с угоном пути; касательные напряжения в рельсах, связанные с термоупрочнением; собственные напряжения в рельсах, возникающие при сборке рельсошпальной решетки.

Все расчетные значения перечисленных напряжений, возникающих в рельсовых плетях, представлены в таблице 7.

Таблица 7. Дополнительные напряжения, возникающие в рельсовой плети.

№ п/п Напряжения в рельсовой плети Величина напряжений

®ч> кгс/см От осевой нагрузки Дополнительные напряжения

1 Критические напряжения разрушения рельсовой плети До 5000 и более

2 Максимальные изгибные напряжения в головке и подошве рельса Р65 при осевой нагрузке Р=25тс 540-650

3 Температурные напряжения в плети при разрушении 250-500 до 1000

4 Динамические напряжения связанные с состоянием пути и вписыванием в кривые 150

5 Напряжения от удара по рельсу ползуном до 2 мм 100

6 Возможные напряжения, связанные с угоном пути до 200

7 Касательные напряжения бокового распора при экстренном торможении до 60

8 Остаточные напряжения в рельсах до 1000

9 Собственные напряжения в рельсах при сборке путевой решетки от 0 до 500

В таблице 7 представлено главное противоречие дефекта 69. С одной стороны, разрушения рельсов происходят при критических напряжениях 5000кгс/см и более, а с другой стороны, основные и дополнительные напряжения, возникающие в рельсовой плети даже в сумме, не достигают этого значения.

Это противоречие озадачило многих исследователей и породило различные версии причин дефекта 69.

В работах Лысюка В.С.[15, 16] утверждается, что первостепенная роль в зарождении дефекта по Рис. 69 принадлежит не поездным изгибным напряжениям, а какому-то другому воздействию (стр. 81) [16]. Здесь же автор доказывает, что гипотеза о первостепенной роли зимних температурных растягивающих напряжений в изломе рельсов по дефекту 69 не подтверждается.

Исследования, выполненные Шахуняндем Г.М., свидетельствует, что стандартные образцы металла, вырезанные из подошвы рельса после пропуска 300, 400, 500 и даже 600 млн. т. брутто, имеют прочностные механические характеристики, практически такие же, как у новых рельсов.

В разделе 3 данной работы утверждается, что определяющей причиной усталостного излома качественных рельсов в пути является высокий уровень напряжений. И снова встает вопрос: каких?

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Величина максимальных изгибных напряжений в подошве рельса Р65 от осевой нагрузки в 25 тс составляет 450-530 кгс/см2.

2. Растягивающие температурные напряжения в рельсовой плети для большинства изломов не превышают 1000 кгс/см2.

3. Величина критических напряжений в подошве рельсовой плети при разрушении достигает значений в 5000-7000 кгс/см2.

4. В реальных условиях эксплуатации железнодорожного пути имеет место значительное несоответствие критических напряжений разрушения в подошве рельсовой плети - поездным изгибным напряжениям.

5. Обосновано положение о дополнительных касательных напряжениях в рельсовых плетях, возникающих на рельсошпальной решетке с отступлениями.

4. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ПЛЕТИ ПРИ ИСКАЖЕНИЯХ РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ

Гипотеза о дополнительных касательных напряжениях в рельсовых, плетях, возникающих при кручении

В основу настоящих исследований кинетики зарождения и развития дефектов в подошве рельса по Рис.69 были положены статистические данные по дефектам рельсов и методика натурного обследования участков пути, где максимально проявлялись эти дефекты, и где происходили изломы рельсовых плетей под поездами.

Принципиально, любой излом рельса в пути может произойти по двум причинам, либо из-за некачественного рельса, либо из-за перегрузки рельса в пути. Проведенные металлографические исследования срезов разрушенных рельсов показали, что рельсовая сталь не имеет никаких сверхнормативных отклонений по химическому составу и физико-механическим свойствам, по термообработке Следовательно, версия о некачественных рельсах была отклонена.

Обследование мест излома рельсовой плети на прямом участке пути и при отличном его состоянии выявил схему нагружения рельса. Изучаемый излом рельса мог произойти только при продольном кручении рельсовой плети. Осмотр мест излома рельсовой плети по дефекту 69 привел к гипотезе о локальном действии касательных напряжений в рельсах, возникающих при кручении.

Для подтверждения этой гипотезы были спроектированы и изготовлены специальные ггрогибометры, устанавливаемые попарно в каждый шпальный ящик железнодорожного пути, которые зафиксировали кручение рельсовой плети под поездной нагрузкой в месте обнаружения усталостной трещины в подошве рельса.

Появление продольного кручения рельсовой плети наблюдается на некачественной рельсошпальной решетке со сверхнормативными отклонениями по геометрическим размерам железобетонных шпал и элементов рельсового скрепления (РШР с искажениями).

Наиболее значимым параметром железобетонных шпал существенно влияющим на продольное кручение рельсов является подуклонка подрельсо-вых площадок и сверхнормативные отклонения других геометрических колею-образующих размеров шпал и элементов рельсовых скреплений.

Таким образом, по данной гипотезе в рельсовой плети могут возникать дополнительные касательные напряжения из-за искажений рельсошпальной решетки.

В этой связи, возникли задачи о натурном обследовании мест излома рельсовых плетей, о расчете касательных напряжений в рельсах, возникающих при кручении, о их влиянии на кинетику дефекта 69, а также по разработке мер, направленных на предотвращение и устранение причин зарождения и развития усталостного дефекта в подошве рельса.

Именно этим вопросам посвящены следующие разделы настоящей работы.

Методика НИЦ-ПУТЬ по натурному обследованию мест излома рельсовых плетей

Изломы рельсов под поездами по дефекту 69 происходят локально по длине пути Для обследования мест излома рельсовых плетей выбирались прямые участки пути с отличной или хорошей оценкой по балльности вагона-путеизмерителя.

Методика обследования мест излома рельсовых плетей, разработанная НИЦ-ПУТЬ, предусматривала следующие операции:

1.Измерение ширины колеи путевым шаблоном Ц08-808, выполненное над каждой шпалой, с высотой измерительной лапки 13 мм.

2. Измерение ширины колес шаблоном НИЦ-ПУТЬ с высотой измерительных лапок 25 мм выполненное над каждой шпалой.

3. Измерение фактической подуклонки рельсов по его подошве в каждом шпальном ящике с помощью шаблона НИЦ-ПУТЬ.

4 В каждый шпальный ящик в месте излома рельсовой плети, устанавливаются два прогибомера, снаружи и внутри колеи Упоры подводятся под подошву рельса и фиксируются на стойке.

5. После прохода поезда производится измерение упругой деформации рельса по двум точкам подошвы.

6. После измерения упругой деформации рельса упоры ослабляются, подводятся под подошву рельса и фиксируются на стойки для повторного измерения.

7. Измерение вертикальных деформаций с помощью прогибомеров повторяются не менее 7-8 раз под поездной нагрузкой.

8. Фиксируется перегон, километр, пикет, план и профиль кривой, выемка (насыпь) и состояние пути.

9. Фиксируется завод- изготовитель рельсов, месяц и год их выпуска, ж/б шпалы, завод изготовитель и год выпуска, тип балласта и его состояние, а также состояние рельсовых скреплений.

10. Все сведения заносятся в ведомость обследования мест излома рельсовых плетей.

Натурное обследование мест излома рельсовых плетей на Горьковской железной дороге, проведенное по методике, разработанной НИЦ-ПУТЬ, показали, что рельсошпальная решетка в местах излома рельсов имеет значительные отклонения по параметрам колеи Сверхнормативные отклонения в рельсо-шпальной решетке приводят к нерасчетным схемам взаимодействия колеса и рельса и появлению локальных перегрузок в рельсовых плетях В результате в рельсах возникают дополнительные касательные напряжения, связанные с кручением рельсовой плети.

Для измерения вертикальных и крутильных деформаций рельсовой плети под поездной нагрузкой были разработаны и изготовлены специальные проги-бомеры. Схемы измерения деформации рельсов железнодорожного пути на асбестовом и щебеночном балласте представлены на Рис. 12

ф| • 3 п >

к«..

Рис. 12 Схемы измерения вертикальных и крутильных деформаций рельсовой плети на щебеночном и асбестовом балласте

Прогибомеры устанавливаются в середине шпального ящика с внутренней и наружной стороны рельса, и измерение производится в режиме ожидания. После прохода поезда упоры на стойке или движки штангенциркулей перемещаются вниз, и между подошвой рельса и упорами образуется зазор, равный упругой деформации пути в точке установки прогибомера Если рельс испытывает только вертикальную деформацию, то показания флексометров будут одинаковы. Если же показания прогибомеров отличаются, то рельс испытывает кручение, причем при уширении колеи показания наружного прогибомера больше показаний внутреннего прогибомера, а при заужении колеи показания внутреннего прогибомера больше наружного После прохода поезда и фиксирования упругой деформации винты ослабляются, упор подводится под подошву рельса, закрепляется винтом на стойке и прогибомер готов к последующему измерению

Для измерения вертикальных и крутильных деформаций рельсовых плетей были изготовлены комплекты прогибомеров по 50 штук. Результаты натурных измерений деформаций рельсовой плети в месте её излома при проходе различной поездной нагрузки по наружным прогибомерам представлены на Рис. 13, характер крутильных деформаций в месте излома по наружным и внутренним прогибомерам представлен на Рис. 14.

Наибольшее кручение рельсовой плети было зафиксировано по правой рельсовой нитке в шпальном ящике 3-4, а излом произошел на шпале 3

Таким образом, впервые удалось зафиксировать продольное кручение рельсовой плети под поездной нагрузкой в реальных условиях эксплуатации бесстыкового пути и на этом основании ввести в расчет напряженно-деформированного состояния рельсовой плети касательные напряжения, возникающие локально по длине пути на рельсошпальной решетке с искажениями.

Расчет касательных напряжений, возникающих в рельсовых плетях при кручении. Условия расчета

Отступления в параметрах рельсошпальной решетки бессгыкового пути оказывают существенное влияние на кинетику дефектов в рельсах. Ранее, во многих работах [34-40] было показано влияние качества рельсошпальной решетки на характер взаимодействия колеса и рельса и на величину дополнительных касательных напряжений^ локально возникающих в рельсовых плетях при кручении.

Основная задача расчета состоит в оценке величин касательных напряжений, возникающих в рельсовой плети, и их влиянии на зарождение и развитие усталостных дефектов в рельсах. Результаты расчета показывают, что в ряде случаев касательные напряжения в рельсовой плети значительно превышают изгибные и являются определяющими при зарождении и развитии усталостных дефектов.

Все расчетные схемы, приведенные ниже, рассматриваются при следующих условиях:

1 Путь бессгыковой с обьемнозакаленными рельсами Р65 и скреплением КБ-65.

2. Участок пути прямой.

3. Путь в отличном состоянии без расстройств и характеризуется нулевой балльностью по ленте вагона путеизмерителя.

в месте её излома

4 Параметры рельса и колеса имеют номинальные параметры без отклонений

5. Осевая нагрузка подвижного состава - Р [тс/ось].

6. Нерасчетные схемы взаимодействия колеса и рельса возникают на рель-сошпальной решетке с отступлениями по параметрам колеи (по ширине колеи, по отводу ширины колеи, по подуклонке рельсовых плетей).

7. Основной причиной, вызывающей появление в рельсах касательных напряжений, являются железобетонные шпалы с отклонениями по колеюобразую-щим размерам.

8. Расчет производится в технической системе единиц (СГС).

9. Система координат - классическая для железнодорожного пути. Ось X -вдоль рельса, У - поперек рельса, Ъ - вертикально.

10. Расчет дополнительных касательных напряжений, возникающих в рельсовой плети, производится при статическом нагружении поездной нагрузкой (скорость до 10 км/час.).

11. Условия расчета сохраняются и при взаимодействии пути и подвижного состава на участках с другими характеристиками.

При составлении расчетных схем воспользуемся следующими понятиями:

Некачественная (дефектная) рельсошпальная решетка с искажениями характеризуется сверхнормативными отклонениями параметров рельсовой колеи из-за брака железобетонных шпал по колеюобразующим размерам.

Расчетное или качественное взаимодействие колеса и рельса - взаимодействие, при котором в рельсовой плети от поездной нагрузки возникают только нормальные изгибные напряжения. Касательные напряжения от поездной нагрузки крайне незначительны по величине и ими можно пренебречь

Нерасчетное или некачественное взаимодействие колеса и рельса -взаимодействие, при котором в рельсовой плети от поездной нагрузки, кроме нормальных изгибных напряжений, возникают касательные напряжения, соизмеримые по величине с нормальными или даже значительно превосходящие их

Природа кручения рельсовых плетей

Кручение рельсовых плетей бесстыкового пути возникает локально по длине пути под поездной нагрузкой в местах укладки железобетонных шпал с отклонениями по колеюобразующим размерам. Решетку с такими шпалами следует характеризовать как некачественную или дефектную, так как на ней возникает продольное кручение и связанное с ним упругое боковое смещение рельсовой плети под поездной нагрузкой. При кручении рельсовой плети в ней возникают касательные напряжения, которые по величине изменяются в широких пределах.

Современные «Правила расчета пути на прочность» сводятся к определению поездных изгибных напряжений в рельсах, и в частности к вычислению их максимальных кромочных значений. Касательными напряжениями ввиду малой незначительной величины, в расчетах пути на прочность, пренебрегают. Это все действительно так, но только для схемы качественного взаимодействия пути и подвижного состава. В общем же случае, при нерасчетном взаимодействии колеса и рельса на некачественной рельсошпальной решетке, в рельсах от поездной нагрузки, возникают изгибные нормальные напряжения и дополнительные касательные напряжения. Причем, величина касательных напряжений зависит от степени отступлений и в некоторых случаях они могут быть соизмеримы с нормальными и даже превосходить их ( г > а.)

По современным теориям прочности при одновременном действии нормальных и касательных напряжений, расчетное напряжение определяется по формуле'

что указывает на преобладающее действие касательных напряжений при г > <х.

Условия зарождения усталостных трещин в рельсах зависят в основном от уровня касательных напряжений, а их развитие в большинстве случаев связано с влиянием нормальных напряжений.

Таким образом, можно утверждать, что определяющее влияние на кинетику дефектов в рельсах (зарождение, развитие, излом) оказывают не поездные из-гибные напряжения, а дополнительные касательные напряжения, возникающие локально по длине пути от поездной нагрузки в местах нерасчетного взаимодействия колеса и рельса на дефектной (некачественной) рельсошпальной решетке.

Более того, изломы рельсовых плетей по усталостным дефектам не зависят от пропущенного тоннажа, а зависят от уровня дополнительных касательных напряжений, возникающих в рельсовых плетях при кручении. И здесь, определяющим фактором становится не столько осевая нагрузка, сколько степень искажений в рельсошпальной решетке.

Следует иметь в виду, что именно дополнительные касательные напряжения, возникающие в рельсовых плетях при кручении, определяют рабочий ресурс и срок службы рельсов до излома. Отсюда следует простой вывод - для увеличения ресурса рельсовых плетей необходимо понизить дополнительные касательные напряжения, возникающие в рельсах при кручении, за счет повышения качества железобетонных шпал и рельсошпальной решетки. Возможные отступления в параметрах рельсошпальной решетки и рельсовой колеи создают бесконечно большое количество схем нерасчетного взаимодействия колеса и рельса. Рельсовая плеть рассматривается как бесконечная балка, при взаимодействии которой с поездной нагрузкой по длине пути возникают следующие схемы взаимодействия:

Схемы расчетного взаимодействия колеса и рельса. Кручение рельсовой плети отсутствует. Касательные напряжения незначительны по величине и ими можно пренебречь. Условий для зарождения усталостных трещин - нет

Схемы нерасчетного взаимодействия колеса и рельса. За счет отступлений в параметрах рельсошпальной решетки и рельсовой колеи возникает локальное кручение рельсов под действием дополнительного крутящего моменга

Схемы перегрузки рельсовых плетей Воспринимая дополнительный крутящий момент, в рельсах возникают высокие касательные напряжения, при которых идет зарождение того или иного дефекта с последующим изломом рельсовой плети.

Расчетное взаимодействие колеса и рельс

При расчетном взаимодействии колеса и рельса дополнительные касательные напряжения в рельсовых плетях, связанные с кручением, или равны нулю, или незначительны, и ими можно пренебречь. Схема расчетного взаимодействия колеса и рельса представлена на Рис.15. В этом случае взаимодействие колеса и рельса осуществляется по пятну контакта А и В. Подуклонка рельса соответствует подуклонке бандажа и равна 1 20. Подошва рельса опирается на подрельсовую подкладку всей поверхностью СД без перекосов.

(4-1)

Схема расчетного взаимодействия Схема нерасчетного взаимодействия колеса и рельса колеса и рельса при заужении колеи

Схема нерасчетного взаимодейст- Схема нерасчетного взаимодейст-

вия колеса и рельса вия колеса и Рельса

Рис. 16

Клеммы скрепления прижимают подошву рельса к подкладке с усилиями Ркл\ и Рцл2 ■ Между рабочей гранью рельса и гребнем колеса на расчетном уровне имеется зазор 5. Нашпальная и подрельсовая прокладки условно не показаны. Величины Н, Ь, В - характерные размеры рельса Р65. Нагрузка к рельсу от колеса передается через пятно контакта и приложена по оси рельса. В этом случае в рельсовой плети от поездной нагрузки возникают только нормальные изгибные напряжения. Вертикальная сила от колеса на рельс:

р; =0,5Р

где Р- осевая нагрузка [тс/ось].

Горизонтальная составляющая силы от колеса на рельс, или сила бокового распора, равна:

Р„г = 0.025Р Результирующая сила от колеса на рельс:

р.=У(р.в)2+(р:)2,или

Р. = л]о.25Р2 +0 000625Р2 = 0.500625Р

в расчетах можно принять: р, = 0,5Р

Номинальная сила прижатия клеммы к подошве рельс при моменте затяжки 20 кгм, равна: Р«^,^ « 1000 кгс.

Для данной схемы взаимодействия крутящий момент от приложенных сил равен нулю.

МКр=ХМ0=1Мд=ХМс= 0. (4-2)

Следовательно, касательных напряжений в рельсовой плети, связанных с ее кручением, не возникает.

Однако, при изменении ширины рельсовой колеи и при боковом смещении колесной пары колесо испытывает действие силы трения. Сила трения Ртр определяется по формуле:

Fmp=P*•f, (4-3) где /- коэффициент трения при совместном действии качения и скольжения.

Коэффициент трения качения закаленной стали по закаленной стали/йн =0,001. Коэффициент трения скольжения сталь по сгалиХить*=0,1 ...0,15.

Сила трения колеса о рельс создает крутящий момент, который уравновешивается моментом от дополнительного усилия в клеммах Гк,2

М^щН = /V(4-3)*. о2 = Мкр/^ (4-4)

Расчетные величины крутящего момента Мкр, силы трения Ртр при совместном действии качения и скольжения, и дополнительного усилия Р'к ,2, возникающие от силы трения представлены в таблице 8.1.

При взаимодействии рельса с одной колесной парой (при/тр =0,01). Сила взаимодействия трения возникает во всех схемах взаимодействия, поэтому данные таблицы 8.1 нужны дня сравнения с возникающими усилиями и крутящими моментами в других схемах.

Схемы нерасчетного взаимодействия колеса и рельса Нерасчетное взаимодействие колеса и рельса возникает на рельсошпальной решетке с искажениями и характеризуется появлением дополнительных нагрузок в рельсовой плети. Искажения путевой решетки носят локальный характер и связаны со сверхнормативными отклонениями параметрах рельсовой колеи.

На Рис. 16 представлена схема нерасчетного взаимодействия колеса и рельса при сверхнормативном заужении ширины колеи. В этом случае подошва рельса опирается на подрельсовую подкладку всей поверхностью СД без перекосов. Однако, пятно контакта с обода бандажа смещается на гребень в точку А, где площадь пятна контакта уменьшается. При неизменной осевой нагрузке Р увеличивается усшше Рк, воспринимаемое рельсом. Горизонтальная составляющая РГК в данной схеме значительно возрастает и будет равна Р[ = где ф = 60-70 или Р[=(0 866-1.373>Р (4-5)

Горизонтальная составляющая или усилие распора Р/ в данной схеме взаимодействия по сравнению со схемой взаимодействия по Рис.15, увеличилось в 5560 раз!

Величина крутящего момента рельсовой плети от приложенных сил равна;

или г —'

I + ь. . . „„ „,. -I.373.f7/

2 ) (4-7)

Крутящий момент, возникающий в рельсовой плети, уравновешивается моментом от дополнительных усилий в клеммах Р КЛ2, т.е.

М„ = Р\п1 откуда,

= \м„ = -1373РН] (4-8)

Расчетные значения крутящего момента Мкр и усилия при различной осевой нагрузке представлены в таблице 8.2 для геометрических параметров рельса Р65 по схеме взаимодействия по Рис. 16.

Следующая схема нерасчетного взаимодействия колеса и рельса представлена на Рис. 17. В ней опирание подошвы рельса на подрельсовую подкладку осуществляется с перекосом. Подошва опирается на подкладку в точке С, а в точке Д между подошвой рельса и подкладкой имеется зазор Ъ. В этом случае в рельсовой плети от приложенной поездной нагрузки возникает крутящий момент М«р. Максимальное значение крутящего момента при нагружении одной колесной парой рассчитывается по зависимости:

(4-9)

Знак минус указывает на направление крутящего момента против часовой стрелки. Под действием отрицательного крутящего момента головка рельса под нагрузкой смещается в боковом направлении на величину [-у], что увеличивает зазор 5 мм между рельсом и колесом.

В случае, если нагружение рельса по данной схеме осуществляется двумя осями, то величина крутящего момента удваивается, т е.

(4-Ю)

Возникающий крутящий момент рельсовой плети уравновешивается моментом дополнительного усилия в клемме Рка-

Вэтомслучае: =0 или, ~ + = 0 (4-11)

А при натр ужении двумя колесными парами

Р„2=Р/2.

Расчетные величины крутящего момента и усилия Рт2 в зависимости от осевой нагрузки Р представлены в таблице 8 3 по Рис. 17..

Величины крутящего момента и дополнительные усилия в клеммах по сравнению с данными таблицы значительно возросли.

На Рис 18 представлена схема нерасчетного взаимодействия колеса и рельса, когда опирание подошвы рельса на подрельсовую подкладку происходит в точке Д, а в точке С между подошвой рельса и подкладкой имеется зазор Ь. В этом случае возникает положительный крутящий момент относительно точки Д, максимальная величина которого будет равна-

(4-12)

А при нагружении рельса двумя осями колесной тележки

(4-13)

Знак плюс указывает на направление крутящего момента по часовой стрелке Смещение головки рельса на величину [у] уменьшает зазор 8 между колесом и рельсом. При у > 5 возможен удар рельса боковой гранью о гребень колеса, при котором зарождаются и развиваются усталостные трещины в элементах взаимодействия.

При кручении рельсовой плети возникающий момент М^ уравновешивается моментом от дополнительных усилий в клеммах

Мкр =

Откуда Рга; = М1!р//=Р/4 (4-14)

А при нагружении рельса двумя осями

= Р / 2 (4-15)

Расчетные значения крутящего момента М,ф и усилия Рт1 в зависимости от осевой нагрузки будут аналогичны значениям таблицы 8.3.

Таблица 8.1 Расчетные величины дополнительных нагрузок при взаимодействии с одной колесной парой по схеме взаимодействия по Рис 15_

Осевая нагрузка Р (тс/ось) Усилие от колеса на рельс Рк (кгс) Сила трения Ртр (кгс) Крутящий момент Мкр (кгс*см) Дополнительное усилие в клеммах Ркл2 (кгс)

5,0 2500 25 450 30

10,0 5000 50 900 60

20,0 10000 100 1800 120

25,0 12500 125 2250 150

30,0 15000 150 2700 180

35,0 17500 175 3150 210

Таблица 8 2 Расчетные величины дополнительных нагрузок при взаимо: одной колесной парой. По схеме Рис. 16.

Осевая нагрузка Р(тс/ось) Усилие от колеса на рельс Рк (кгс/рельс) Крутящий момент Мкр (кгс*см) Усилие в клеммах Ркл2 (кгс)

5,0 2500 65445,0 6363,0

10,0 5000 190890,0 12726,0

20, 10000 381780,0 25452,0

25,0 12500 477225,0 31815,0

30,0 15000 572670,0 38178,0

Таблица 8.3. Расчетные величины дополнительных : одной колесной пары по схеме Рис. 17.

нагрузок при воз-

Осевая нагрузка Р (тс/ось) Усилие от колеса на рельс Рк (кгс/рельс) Крутящий момент Мкр (кгс*см) Усилие в клеммах Ркл2 (кгс)

5,0 2500 18750 1250

10,0 5000 37500 2500

20, 10000 75000 5000

25,0 12500 93750 6250

30,0 15000 112500 7500

Таблица 8 4. Расчетные величины дополнительных нагрузок при воздей-

Осевая нагрузка Р (тс/ось) Усилие от колеса на рельс Рк (кгс/рельс) Крутящий момент Мкр (кгс*см) Усилие в клеммах Ркл2 (кгс)

5,0 2500 132945,0 8863,0

10,0 5000 265890,0 17726,0

20,0 10000 531780,0 35452,0

25,0 12500 664725,0 43315,0

30,0 15000 797670,0 53178,0

Полученные результаты расчета, представленные в таблицах 8 1, 8.2, 8.3 и 8.4 позволяют констатировать, что на рельсошпальной решетке с искажениями дополнительный крутящий момент в рельсовой плети и дополнительные усилия в клеммах рельсового скрепления увеличиваются более чем в 100 раз!

Возможны и многие другие схемы нерасчетного взаимодействия колеса и рельса на рельсошпальной решетке с отступлениями по параметрам рельсовой колеи.

Проведенные выше расчеты величины крутящего момента, возникающего в рельсовых плетях бесстыкового пути, позволили качественно определить как величины дополнительных нагрузок рельсовых плетей, так и диапазон их изменения В этой связи, далее стал возможным расчет касательных напряжений в рельсовых плетях, возникающих при кручении и значений предельных критических напряжений при поперечных изломах рельсов по усталостным дефектам. Схемы перегрузки рельсовых плетей

Данные схемы предназначены для расчета дополнительных касательных напряжений и предельных напряжений разрушения в рельсовых плетях, поясняющих кинетику дефектов в рельсах. Кручение рельсовой плети неравномерно по длине пути, и характер его изменения представлены на Рис 19.

С уровнем дополнительных нагрузок рельсовой плети от кручения связана кинетика того или иного дефекта в рельсах

1. Расчетная схема касательных и предельных напряжений в рельсовой плети по дефекту 79.

Наиболее опасным и непредсказуемым является излом рельсовой плети по дефекту 79 (поперечный излом рельса без видимых пороков в сечении излома) Излом рельса по данному дефекту характеризует действие максимально возможных касательных напряжений. Поперечная усталостная трещина имеет микроскопические размеры и визуально не просматривается.

Схема нагружения рельсовой плети, поясняющая кинетику дефекта 79, представлена на Рис. 20. К рельсу приложен максимальный крутящий момент Мкр, возникающий по схеме Рис. 16. Приложенный крутящий момент уравновешивается моментом от усилий в клеммах. При кручении рельсовой плети, возникающее усилие /^2 значительно превышает номинальное усилие и является концентратором напряжения для рельсовой плети.

Усилие БКя2 создает дополнительный изгибающий момент по подошве рельса СД. Наибольшие изгибающие напряжения в подошве рельса от действующих сил возникают в некоторой точке О, расположенной с эксцентриситетом е относительно центра подошвы О Точка О является полюсом перегрузки, с которого начинается разрушение рельса В связи с высоким уровнем касательных напряжений в рельсе, поперечный излом происходит без образования видимой усталостной трещины в сечении излома

Для расчета касательных напряжений, возникающих при кручении в рельсе Р65, воспользуемся справочными данными.

Моменты инерции сечения рельса Р65 относительно осей: 1УЮ =3540 см4; I/65 =564 см4; /рш = 4104 см4. Моменты сопротивления рельса Р65: -по низу подошвы 435 см ; -по верху головки 358 см3; -полярный 288 см3.

Схема возникновения дополнительных крутящих моментов в рельсовой плети

Рис. 19

Расчетная схема касательных и предельных напряжений в рельсовой плети по дефекту 79

Расчетная схема касательных и предельных напряжений в рельсовой плети по дефекту 69

¡г

Рис. 20

Рис. 21

Результаты расчета касательных напряжений в рельсовой плети при кручении и предельных напряжений разрушения при изломах рельсов по дефекту 79 сведены в таблицу 9.1.

Таблица 9 1. Расчетные величины крутящего момента касательных и предельных напряжений, возникающих в рельсовой плегги _

Осевая нагрузка Р (тс/ось) Крутящий момент Мкр (кгс*см) Усилие в клеммах Ркп (кгс) Касательное напряжение т(кг/см2) Расчетное напряжение 2т (кг/см2) Предельное напряжение акр (кг/см2)

5 132945 8863 461,6 923,2 928,6

0 265890 17726 923,2 1846,4 1857,2

20 531780 35452 1846,5 3693,0 3714,6

25 664725 43315 2308,0 4616,0 4643,0

30 797670 53178 2769,7 5539,5 5571,8

2x20 1063560 70904 3692,9 7385,9 7418,0

2x25 1329450 88630 46165 9232,9 9267,5

Таким образом, излом рельсовых плетей по дефекту 79 характеризуется самым высоким уровнем критических напряжений достигающий при разрушении 5000-7000 кгс/см2 и более

2. Расчетная схема касательных и предельных напряжений в рельсовой плети при изломах по дефекту 69.

Расчетная схема аналогична предыдущей и представлена на Рис. 21 однако, кинетика дефекта 69 происходит при более низких касательных напряжениях по сравнению с напряжениями таблицы 9.1. При изломах рельсовой плети по дефекту 69 в сечении излома по подошве рельса развивается усталостная трещина в полюсе перегрузки. Видимый размер усталостной трещины лежит в пределах от 2 до 30 мм, что указывает на большой разброс напряжений при разрушении.

На Рис. 21 представлена расчетная схема для определения касательных напряжений в рельсовых плетях при изломах рельсов по дефекту 69. Можно допустить, что рельсовая плеть под нагрузкой испытывает упругую деформацию Ь в точке С, что значительно снижает касательные напряжения в подошве Полюс перегрузки О, где развивается усталостная трещина, обычно находится в средней части подошвы рельса, составляющей ее третью часть.

Расчетные значения касательных и предельных напряжений, возникающих в рельсовой плети при изломах по дефекту 69, представлены в таблице 9.2.

Таблица 9.2. Расчетные величины касательных и предельных напряжений в рельсовой плети по дефекту 69.____

Осевая нагрузка Р(тс/ось) Крутящий момент Мкр (кгс*см) Усилие в клеммах Ркл (кгс) Касательное напряжение т(кг/см2) Расчетное напряжение 2т (кг/см2) Предельное напряжение акр (кг/см2)

5 95445,0 6363,0 331,4 662,8 670,3

10 190890 12726,0 662,8 1325,6 1340,6

20 381780 25452,0 1325,6 2651,2 2681,2

25 477225 31815,0 1657,0 3314,0 3351,5

30 572670 38178,0 1988,4 3977,0 4022,0

2x20 763560 50904,0 2651,2 5302,5 5378,3

Наибольшие значения предельных напряжений разрушения рельсовой плети соответствуют минимальным размерам усталостных трещин, и наоборот, с уменьшением предельных напряжений размер усталостной трещины в сечении излома увеличивается.

Расчет напряженно-деформированного состояния рельсовой плети при искажениях рельсошпальной решетки методом конечных элементов

В предыдущем разделе произведен качественный расчет напряжений, возникающих в рельсовой плети при кручении методами строительной механики Для более точной оценки напряжений, возникающих в рельсовой плети при кручении с использованием современных методов расчета была выполнена совместная работа [48], которая подтвердила превалирующие влияние на возникновение коррозионно-усталостного дефекта 69 воздействие крутящего момента Мкр.

С учетом проведенного анализа, а также ранее проведенных исследований, была предложена конечно-элементная модель для исследования напряженно-деформированного состояния системы колесо - рельс, представлена на Рис 22, а также разработана методика расчета и конечно-элементная модель фрагмента рельсошпальной решетки со скреплением типа КБ-65 на железобетонных шпалах, представлена на Рис. 23. В отличии от ранее используемых моделей, разработанная КЭМ и методика расчетов предусматривают использование конечных элементов по различным сопрягаемым элементам КБ-65. Подобный подход, основанный на итерационных алгоритмах, обеспечивает автоматический расчет площади контакта сопрягаемых элементов в зависимости от их геометрических особенностей и величины приложенной нагрузки.

На следующем этапе проведено численное моделирование и комплексный взаимный анализ результатов конечно-элементных расчетов конструкций пути при различных эксплуатационных вариантах искажения элементов рельсошпальной решетки. Произведена оценка степени их влияния на возникновение усталостных трещин в подошве рельса.

Моделирование линейного перекоса подошвы рельса и подкладки при свободных « торцах» рельсов

В соответствии с материалами, изложенными выше первоначально проведено моделирование взаимного перекоса между поверхностью подошвы рельса и подкладкой. При этом учитывался и материал «мягкой» резиновой прокладки Контактные элементы введены не по всей плоскости сопряжения, а только по линии соответствующей оси шпалы. По торцам рельсов закреплено не все сечение, а только локальная центральная зона С одной стороны по осям X, У, Ъ, а с другой стороны по осям У, Z. Подобный вариант при «свободных» концах рельса соответствует случаю когда предполагается, что «люфт» рельса относительно шпалы возможен не только на рассматриваемом фрагменте, но и на большей длине. Основные результаты расчетов представлены на Рис. 24 и Рис. 25.

Рис.22 Конечноэлементная модель для исследования напряженно-деформированного состояния системы колесо-рельс

Конечноэлементная модель фрагмента рельсошпальной решетки для исследования НДС в подошве рельса при различных взаимных перекосах системы рельс - подкладка - шпата

V

Рис. 23 Конечноэлементная модель фрагмента рельсошпальной решетки

г"'

4 5

1, 2, 3, 4, 5 - номер сечения соответствующий номеру шпалы на рис. 23

Рис.24

•ж

од

С

4 5

1, 2, 3, 4, 5 - номер сечения соответствующий номеру шпалы на рис 23

Рис. 2э

Из рассмотрения схемы деформаций поперечного сечения рельса видно, что наибольший перекос £г = 3,4 мм по перьям рельсов возник в зоне приложения вертикальной нагрузки от колеса к шпале № 1 (Рис 23) С противоположной стороны (шпала № 5), где колесо двухосной тележки расположено в середине шпального ящика, уровень максимальной величины перекоса несколько меньше £г - 2,7 мм (на 22%).

В зоне центральной шпалы (№ 3) взаимный перекос перьев подошвы рельса обусловлен только неполной симметрией приложения нагрузок и практически отсутствует ег = 0,03 мм.

Анализ схемы распределения интенсивности напряжений показывает, что на участке между второй и четвертой шпалами вдоль продольной оси рельса имеется ярко выраженная зона повышенного уровня напряжений, аналогичная полученным ранее результатам при расчете рельса от крутящего момента. Однако имеются и отличия. По зоне оси центральной шпалы максимум возник в центре и с краю подошвы рельса (с^ = 1800 кг/см2).

Возникли локальные максимумы и с краю всех других подошв рельс а в зонах их контакта с подкладкой причем до величины о1 = 3800 кг/см2 (в зоне шпалы № 5) и а, = 4400 кг/см2 (в зоне приложения нагрузки в зоне шпалы № 1). Локальные максимумы с краю подкладок обусловлены используемой линейной, а не плоскостной схемой моделирования сопряжения подошва-подкладка Соответственно, в зоне фактически точечного контакта подошвы рельса с подкладкой возникла высокая локальная концентрация напряжений. Максимум интенсивности напряжений в подошве рельса в зоне центра подкладки шпалы № 3, как по ширине так и по длине подкладки полностью соответствует превалирующей зоне возникновения дефекта 69. Из рассмотрения компонент напряжений видно, что определяющее влияние на максимум интенсивности напряжений в рассматриваемой зоне оказывают касательные напряжения г <-700 кг/см2 и разность знаков компонент напряжений ах<-930 кг/см2, <Уу <-970 кг/см2.

Для сравнения, при расчетах рельсошпальной решетки при той же жесткости подшпального основания, без учета возникновения М,ф, из-за различных взаимных перекосов подошвы рельса, подкладки и т д., в рассматриваемой зоне обратного выгиба рельса уровень напряжений в подошве не превышал О!<350кг/см2, ах< | -300| кг/см2. А в зоне под колесом о1 < 630 кг/см2, ах< 610 кг/см2, что значительно ниже указанных выше значений при наличии М,ф.

Следует отметить, что когда в предварительных расчетах оценка НДС в подошве рельса проводилась «чисто» от воздействия Мкр =9 кгм, максимальный уровень-напряжений достигал а,<2330-9200кг/см2, г ху <1410-1610 кг/см2 То есть величина интенсивности и компонент напряжений существенно выше, чем в описанном выше варианте расчета С другой стороны, используя данные работы, следует предположить, что в настоящий расчетах крутящий момент

достигал величины Мкр = Рк^ = \\25кгм Однако, последнее предположение

справедливо только в случае расчета без резиновой прокладки и предполагая, что материал рельса абсолютно жесткий В реальной же конструкции, очевидно, что по мере постепенного замыкания зазора, обусловленного моделируемым

перекосом, величина крутящего момента уменьшается от Мкр =1125 кгм до М,ф = О кгм, что и подтверждают результаты расчетов.

Далее методом конечных элементов были смоделированы схемы нерасчетного взаимодействия колеса и рельса и произведен расчет возникающих напряжений в рельсовых плетях при следующих искажениях.

Моделирование перекоса подошвы рельса и прокладки по плоскости при «свободных» торцах рельсов.

Моделирование перекоса подошвы рельса и прокладки по плоскости при «закрепленных» торцах рельсов.

Моделирование перекоса подошвы рельса и прокладки по плоскости при «закрепленных» торцах рельсов и наличии боковой силы.

Моделирование перекоса подошвы рельса прокладки и сопряженной части шпалы по плоскости при «закрепленных» торцах рельсов.

Моделирование нерасчетных схем взаимодействия пути и подвижного состава на рельсошпальной решетке с искажениями и расчет возникающих напряжений методом конечных элементов подтвердили высокий уровень возникающих перегрузок и их роль в зарождении и развитии усталостных дефектов в подошве рельсов.

Основные результаты по данному разделу работы можно сформулировать следующим образом:

1. Предложена гипотеза о дополнительных касательных напряжениях в рельсовых плетях при кручении на рельсошпальной решетке с искажениями.

2. Методика натурного обследования мест зарождения и развития усталостных дефектов рельсов железнодорожного пути подтвердила гипотезу о дополнительных нагрузках возникающих в рельсах на рельсошпальной решетке с искажениями.

3 Расчетно-теоретическое выявление факторов, оказывающих главное влияние на напряженное деформированное состояние подошвы рельса в зоне возникновения дефекта по рисунку 69, также подтвердило гипотезу о дополнительных касательных напряжениях в рельсах, возникающих при кручении.

4. Расчет напряженно-деформированного состояния рельсовой плети при искажениях рельсошпальной решетки методом конечных элементов подтвердил превалирующие влияние касательных напряжений при кручении.

5. Величины касательных напряжений при кручении на рельсошпальной решетке с искажениями соизмерами с критическими напряжениями при разрушении.

6 Для увеличения рабочего ресурса рельсовых плетей, рельсошпальной решетки и всего железнодорожного пути в целом, необходимо снизить величину касательных напряжений в рельсах при кручении.

5. КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ И МЕРЫ ПО ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ.

Метрологические исследования ширины колеи

Ширина колеи железнодорожного пути является важнейшей характеристикой, определяющей качество взаимодействия пути и подвижного состава. Сверхнормативное заужение или уширение ширины колеи являются одинаково недопустимыми, и могут привести к сходам подвижного состава. Сверхнормативное заужение ширины колеи (1515 мм и менее) приводит к перегрезкам рельсов и колес, их интенсивному износу, зарождению и развитию усталостных дефектов, поперечным изломам рельсов под поездами, повышенному расходу энергии на тягу поездов и многим другим негативным последствиям, которые сегодня в реальных условиях эксплуатации железнодорожного пути характеризуется как проблема "Колесо-рельс".

При расчетном взаимодействии колеса и рельса, схема которого представлена на Рис. 26, между головками рельсов и гребнями бандажей колесной пары предусматривается зазор, исключающий заклинивание колесных пар подвижного состава при движении по колее. В технической литературе, например, в книге «Конструкция железнодорожного пути и его содержание» под редакцией М.А. Фришмана, Москва, «Транспорт», 1980, на странице 156 сказано: «чем меньше этот зазор, тем лучше - меньше размах виляния и боковые силы, больше полоса перекрытия рельса колесам, лучше динамика взаимодействия». Однако, данное утверждение в некоторой степени ошибочно, так как оно допускает и «нулевой» зазор между колесом и рельсом, когда их взаимодействие происходит с заклиниванием, с трением металла о металл, с подрезкой гребня колеса и боковой грани рельса». Более правильно говорить о минимально допустимом зазоре между колесом и рельсом, а не о минимально возможном Видимо, с этой же целью в 1972 году была введена унифицированная ширина колеи в 1520 мм, одинаковая для прямых и кривых участков радиусом до 350 м. До настоящего времени многие специалисты вагонного и локомотивного хозяйства считают это главной причиной современного интенсивного износа рельсов и колес на сети дорог РФ и стран СНГ, поскольку произошло очевидное уменьшение ширины колеи с 1524 мм до 1520 мм Однако есть и другие причины способствующие заужению ширины колеи [ 38, 42, 48]

В настоящем разделе анализируются недостатки в измерении ширины колеи путевыми шаблонами, которые способствуют заужению колеи и предлагаются пути их устранения.

При высоте измерительных упоров путевого шаблона в 13 мм и при поду-клонке рельсов в 1/20 ширина колеи фиксируется при заглублении в 10 мм от поверхности катания, то есть по боковой выкружке головки рельса.

Поверхность катания головки рельса имеет выпуклое криволинейное очертание Средняя часть головки прокатана по радиусу 500 мм, переходная часть радиусом 80 мм, а боковая выкружка радиусом 15 мм заканчивается на высоте 15.7 мм. А при подуклонке рельса в 1/20 боковая выкружка головки заканчивается на высоте 19 мм от вертикальной базы шаблона. Боковые грани головки рельса имеют уклоны в 1/20, и если сам рельс имеет подуклонку в 1/20, то боковая грань расположена вертикально за пределами боковой выкружки головки.

В этой связи, актуальным становится вопрос о высоте измерения ширины колеи и о высоте измерительных лапок путевого шаблона.

В послевоенные годы были распространены путевые шаблоны с высотой измерительных лапок в 25-32 мм. А контрольные шаблоны КШ, используемые в дистанциях пути до настоящего времени, имеют высоту измерительных упоров в 35 мм. Однако сейчас самым распространенным путевым шаблоном является шаблон Ц08-808 с высотой измерительных лапок в 13 мм. В этом случае измерение ширины колеи в пути производится на уровне боковой выкружки головки рельсов на расстоянии 10 мм от поверхности катания, и фактическая ширина колеи искажается в сторону уширения.

Искажение в измерении ширины колеи вносит и подуклонка рельсов, особенно в местах заужения колеи, когда подуклонка рельсов вместо нормативной в 1/20 приобретает значения в 1/12, 1/10 и т.д.

На Рис.28 представлены схемы измерения ширины колеи путевым шаблоном с высотой лапок в 13 мм и 25 мм при различной подуклонке рельсов Уже графически можно установить, что погрешность в измерении ширины колеи будет составлять при вертикальном положении рельсов 2 х (1,4... 1,5)мм, при подуклонке в 1/20 - 2 х (1,8...2,0) мм, и при подуклонке в 1/10 - 2 х (3,0...3,1) мм.

Фактическая ширина колеи искажается и вагоном путеизмерителем. Искажение заключаются в том, что измерительные лыжи вагона — путеизмерителя расположены с заглублением в 22-24 мм по поверхности катания, а настройка или сверка ширины колеи производится путевым шаблоном с высотой измерительных лапок в 13 мм. Мы вновь искажаем ширину колеи в сторону уширения и выдаем только качественную характеристику ширины колеи, которая не соответствует ни высоте упоров в 13 мм, ни заглублению лыж 24 мм.

Таким образом, одной из причин, способствующей сверхнормативному заужению ширины колеи, приводящей к силовой перегрузке рельсов, является измерение ширины колеи на уровне боковой выкружки головки рельсов, а именно на расстоянии 13 мм или 16 мм от вертикальной базы путевого шаблона. Однако взаимодействие колеса и рельса происходит не в некоторой расчетной точке, определяемой расстоянием в 13 мм или 16 мм, а выкружкой головки рельса, выполненной и на гребне и на рельсе радиусом в 15 мм.

Для подтверждения изложенного, на Горьковской железной дороге был организован опытный проход вагона - путеизмерителя со сверкой ширины колеи по трем поверенным путевым шаблоном с высотой измерительных упоров в 13,16 и 25 мм. Ширина колеи измерялась шаблонами под нагрузкой вагона -путеизмерителя с поочередным размещением шаблонов возле предохранительных роликов. Результаты измерений сведены в таблицу 10.

Таблица 10. Результаты измерений ширины колеи различными путевыми шаблонами у предохранительных роликов вагона-путеизмерителя._

На звеньевом пути с деревянными шпалами

Шаблон Ширина колеи в мм

1 2 3 4 5 6

Ц08 - 808 1527,0 1536,5 1515,0 1520,0 1518,0 1516,5

ЦУП - 2Д 1526,5 1534,0 1514,0 1518,5 1517,5 1516.0

подуклонке рельсов

О) -С

вания ширины колеи

НИЦ-ПУТЬ 1525,2 1533,5 1512,0 1518,2 1516,7 1513,5

Макс.

отличия 1 8 30 3.0 1 8 1 3 30

ЦО% - 808 1 3 05 20 03 08 25

ЦУП-2Д

На бесстыковом пути с железобетонными шпалами и скреплениями КБ-65

Шаблон Ширина колеи в мм

1 2 3 4 5 6

Ц08 - 808 1519,5 1516,0 1516,0 1519,5 1521,0 1517,0

ЦУП-2Д 1516,0 1514,0 1513,5 1517,5 1518,0 1515,0

НИЦ - ПУТЬ 1514,0 1511,0 1510,5 1512,8 1515,3 1511,5

Макс.

отличия 55 50 55 6.7 5.7 5 5

ЦОЪ - 808 2.0 3.0 3.5 4.2 27 3 5

ЦУП-2Д

Из таблицы 10 видно, что наибольшее отличие в измерении ширины колеи шаблоном с разной высотой измерительных упоров на звеньевом пути достигает 3 мм, а на бесстыковом пути превышает 6 мм.

Далее были проведены метрологические исследования ширины колеи на лабораторном тарировочном стенде, представленном на Рис. 28. Тарировочный стенд состоит из основания 1, выполненного из швеллеров, на которых размещены рубки 2 из рельсов Р65, клинья 3 для варьирования подуклонки рельсов, и струбцины 4 для жесткой фиксации рельсов 2 на основании 1. С помощью эталонного шаблона 5 типа КШ, с размером 1519,5 мм между измерительными упорами, рубки рельсов устанавливались на эталонный размер по ширине колеи с требуемой подуклонкой и жестко фиксировались струбцинами Ширина колеи зафиксированных рельсов измерялась различными шаблонами, в том числе шаблоном НИЦ-ГТУТЬ варьировалась мерительными пластинами толщиной 1 мм, размещаемыми между головками рельсов и опорными поверхностями шаблона. Таким образом, при заданной подуклонке рельсов фиксировалась ширина колеи с точностью до 0,1 мм или с точностью до 0,01 мм и с шагом измерения высоты измерительных упоров в 1 мм. Измерения ширины колеи производились в прямом и обратном направлении с определением абсолютных и относительных ошибок. Некоторые результаты контрольных измерений ширины колеи в характерных точках на лабораторном тарировочном стенде, выполненные в лаборатории дефектоскопии центра «Диагностика» Горьковской железной дороги, предоставлены в таблице 11.

Таблица 11. Результаты измерений ширины колеи на лабораторном тари-ровочном стенде.__

Шаблон с высотой упоров (мм) Ширина колеи при подуклонке рельсов 1 (мм)

1=00 1=1/50 i=l/30 i=l/20 i=l/10 i=l/7,5

Шаблон КШ с высотой упоров 35 мм 1519,5 1519,5 1519,5 1519,5 1519,5 1519,5

Ширина колеи, измеренная на уровне 32 мм 1519,5 1519,5 1519,5 1519,5 1519,5 1519,7

Ширина колеи, измеренная на уровне 25 мм 1520,1 1520,0 1519,7 1519,5 1519,2 1519,0

Ширина колеи, измеренная на уровне 20 мм 1520,7 1520,5 1520,0 1519,7 1519,2 1518,8

Ширина колеи, измеренная на уровне 16 мм 1521,5 1521,0 1520,6 1520,5 1519,8 1520,5

Ширина колеи, измеренная на уровне 13 мм 1522,4 1522,2 1521,9 1521,7 1521,3 1523,9

Ширина колеи, измеренная на уровне 10 мм 1524,3 1524,0 1523,9 1524,4 1525,0 1530,3

Из таблицы 11. следует, что ширина колеи, измеренная шаблоном с разной высотой измерительных упоров и при разной подуклонке рельсов дает существенное отличие. Причем, измерения колеи с упорами в 13 мм и 16 мм во всех случаях искажают эталонное значение в сторону уширения. Наименьшее отличие от эталонного значения было зафиксировано при высоте измерительных упоров в 25 мм На тарировочном стенде экспериментально было подтверждено, что боковая выкружка головки рельса Р65 заканчивается на высоте 19-22 мм от измерительной базы шаблона при изменении подуклонки рельсов в диапазоне от да до 1/7,5.

Таким образом, в результате измерений на вагоне - путеизмерителе и метрологических исследований в лаборатории, было установлено, что измерение ширины колеи путевыми шаблонами с высотой измерительных упоров в 13 мм и 16 мм осуществляется на уровне боковой выкружки головки рельсов, что искажает фактическую ширину колеи в сторону уширения и способствует за-ужению ширины колеи до сверхнормативных значений.

Поскольку измерение ширины колеи до настоящего времени осуществляется по боковой выкружке головки рельсов, то произошло в больших объёмах заужение ширины колеи, особенно на бесстыковом пути с рельсовым скреплением КБ-65.

Исправить эту ситуацию в кратчайшее сроки будет затруднительно. С этой целью необходимо принять отраслевое решение об оптимальном расстоянии, на котором измеряется ширина колеи; должно быть решение об единой высоте измерительных упоров путевых шаблонов, а также рассмотрен вопрос о создании нового путевого шаблона с высотой измерительных лапок в 25 мм.

Решение вопроса об единой высоте измерительных лапок путевого шаблона является необходимым условием для нормализации ширины колеи, снижения перегрузок рельсов в пути, повышения осевых нагрузок, уменьшения дефектности рельсов, увеличения ресурса рельсов, рельсошпальной решетки и пути в целом, повышения надежности и безопасности перевозочного процесса.

Метрологический контроль железобетонных шпал и элементов скрепления рельсошпальной решетки

Конструкция бесстыкового пути с объемнозакаленными рельсами Р65, железобетонными шпалами, скреплениями КБ, щебеночным балластом-основная на железных дорогах Российской Федерации. Однако, её широкое внедрение привело к появлению и новых проблем - интенсивному выходу из строя рельсов и бандажей колес, подрезке гребней, увеличению числа дефектных и остродефектных рельсов, изломам рельсовых плетей под поездами по различным дефектам, усталостным разрушениям рельсов и колес и другим негативным последствиям.

Одна из существенных причин быстрого выхода из строя рельсов и колес - их нерасчетное взаимодействие, которое возникает в местах укладки путевой решетки со сверхдопустимыми отклонениями по ширине колеи и подуклонке рельсов.

Схема расчетного взаимодействия пути представлена на рис 26 Основные размеры, определяющие условия взаимодействия - ширина рельсовой колеи, равная 1520мм (+8,-4мм) и ширина насадки колес, равная 1440мм (± 1 мм) у новой колесной пары, 1440мм (± 3 мм) у находящейся в эксплуатации. Толщина гребня колес на расчетном уровне составляет 33 34 мм. Эти размеры обеспечивают расчетное взаимодействие колеса и рельса При минимально допустимой ширине рельсовой колеи 1516 мм и максимально возможной ширине колесной колеи в 1511 мм, (зазор 28=5 мм). Взаимодействие колесной пары с рельсами происходит без заклинивания, условий для подрезки гребней и интенсивного бокового износа рельсов и колес не создается Нагрузка от колеса на рельс передается через пятно контакта АВ, расположенное симметрично относительно оси рельса.

Схема нерасчетного взаимодействия представлена на Рис. 27. Оно возникает при ширине колеи 1511 мм и меньше, хотя бы на одной шпале. В этом случае колесная пара заклинивается в пути, подрезаются гребень и рельс, контакт смещается с обода бандажа на гребень в точку С Пятно контакта уменьшается во много раз, при неизменной осевой нагрузке Р увеличивается усилие Р к, воспринимаемое рельсом Горизонтальная составляющая Рг в данном случае будет равна Рн=Рв где ф = 60-70°, или

Рт = (1,732 2,732)% = (0,866 1,373)Р

Горизонтальная составляющая, воспринимаемая рельсом, а следовательно и усилия в колесной паре, элементах скрепления и усилия в шпалах могут увеличиваться в 30-60 раз.

В точке С появляются большие контактные напряжения, что создает условия для зарождения и развития многих дефектов в рельсах. Именно в точке С возможно выкрашивание металла (дефект 11), образование усталостных трещин (дефект 21), возникновение горизонтальных трещин (дефект ЗОГ), бокового износа (дефект 44) и многих других в шейке и подошве рельса.

Схемы дополнительных местных нагрузок при бракованных элементах рельсошпальной решетки представлена на Рис 29 Сверхнормативные отклонения в подуклонке подрельсовых площадок железобетонных шпал и перекос подкладок могут вызвать дополнительные крутящие моменты м<рдоп в плети Рис. 19

В общем случае дополнительные местные напряжения в рельсах и других элементах рельсошпальной решетки зависят от поездной нагрузки и носят циклический характер Они изменяются от нуля до величин, на порядок превышающих номинальные поездные нагрузки Именно эти напряжения определяют усталостный характер работы рельсовых плетей, деталей скрепления и всей решетки в целом

Схемы появления дополнительных локальных перегрузок в элементах рельсошпальной решетки

ДИАГРАММА

предельных состояний объемно-закаленного рельса Рь5

Рис. 30

Большинство дефектов в рельсах связано именно с нерасчетным взаимодействием пути и подвижного состава, когда дополнительные местные напряжения складываются с поездными изгибными напряжениями и другими нерасчетными нагрузками, и в рельсовой плети возникает сложное напряженно-деформированное состояние.

Если поездные изгибные напряжения можно считать, при определенных условиях, постоянными или малоизменяющимися вдоль пути для одной и той же осевой нагрузки, то дополнительные изменяются в широком диапазоне от нуля до перечисленных выше величин.

Высококачественно собранная рельсошпальная решетка обеспечивает расчетное взаимодействие колеса и рельса с минимальным их выходом из строя, когда дополнительные напряжения близки к нулю, срок службы рельсов и других элементов рельсошпальной решетки максимальный. С увеличением дополнительных напряжений в плети выход становится более интенсивным, зарождаются и развиваются дефекты в рельсах, их срок службы, как и рельсошпальной решетки, в целом, сокращается.

Для предупреждения зарождения и развития целого ряда дефектов, связанных с изломами и трещинами в рельсах, необходимо уменьшить эти дополнительные напряжения, повысив качество рельсошпальной решетки.

В настоящее время единственный показатель качества новой путевой решетки - ширина рельсовой колеи Она должна составлять 1520±2 мм с отводами в 0,001. К сожалению, эти условия не выполняются. Ширина рельсовой колеи на одном звене нередко равна 1520±4 мм, а её изменение на расстоянии одного шпального ящика достигает Змм и более, а подуклонка рельса лежит в пределах от 1/10 до 1/40 Качество такой рельсошпальной решетки, обусловленное сверхнормативными отклонениями размеров шпал и элементов скрепления - неудовлетворительное.

Ширину рельсовой колеи путевой решетки, собираемой на звеносбороч-ных базах ПМС, формируют колеюобразующие размеры ж/б шпал. До 1996 года ж/б шпалы Ш-1 для бесстыкового пути со скреплением КБ-65, производились в соответствии с ГОСТ 10629-88 "Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм ".

В работе [42] показано, что железобетонные шпалы, изготовленные по данному ГОСТу, дают значительное заужение рельсовой колеи до сверхнормативных значений. В 1995 году указанный ГОСТ на ж/б шпалы был отменен и вместо него с 1996 года введены технические условия ТУ 5864-024-96, где колеюобразующие размеры ж/б шпал были скорректированы в сторону уширения колеи. В 2000 году Указанием МПС России от 08 ноября 2000 года №С-2695у введен стандарт отрасли ОСТ32.152-2000 "Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации"^] Далее Указанием МПС №С-67у от 28 января 2002 года утверждено и введено в действие с 01 февраля 2002 года изменение № 1 на ОСТ 32 152-2000, которое действует и в настоящее время.

Для выяснения соответствия поставляемых ж/б шпал Ш-1 Стандарту отрасли ОСТ 32 152-2000, на звеносборочных базах ОПМС-40 на ст Каликино и ПМС-31 на ст. Лянгасово было проведено сплошное измерение колеюобра-зующих размеров шпал Ш-1 и по результатам работы составлены акты.

По результатам измерений можно отметить, что по подуклонке подрель-совых площадок 79,3% шпал соответствуют требованиям ОСТа, а более 20 % ж/б шпал имеют сверхнормативные отклонения и укладке в путь не подлежат. По основному размеру железобетонных шпал, только 81% соответствует требованиям ОСТ, по размеру ниши подрельсовых площадок требованиям ОСТ соответствует 84%, а по пропеллерности подрельсовых площадок 94%. В общей сложности до 30...35 % ж/б шпал имеют сверхнормативные отклонения по ко-леюобразующим размерам и укладке в путь не подлежат.

Из 100 штук подрельсовых подкладок КБ-65 до 12% подкладок имели сверхнормативные отклонения по колеюобразующему размеру.

При сборке рельсошпальной решетки на звеносборочной базе ширина рельсовой колеи имела значения 1520 ±3 мм с отводами на расстоянии шпаль-ного ящика в 2 - 4 мм и более. Требуемые отводы ширины колеи в 0,001 не соблюдались.

Механизм усталостного разрушения рельсовых плетей бесстыкового пути

При взаимодействии пути и подвижного состава в рельсовой плети возникает не только сложное, но и различное объемно-напряженное состояние по длине пути, создаваемое приложенными силами.

Рельсовая плеть железнодорожного пути разрушается при предельно напряженном состоянии, когда главные напряжения достигают опасных значений от действующих нагрузок. Для объемнозакаленной рельсовой стали, предельным считается напряженное состояние, которому соответствует начало разрушения. Для оценки предельных состояний рельсовой плети воспользуемся объединенной теорией прочности, которая различает два вида разрушения — хрупкое, которое происходит при растяжении, и вязкое, наступающее от среза. Экспериментально доказано, что разрушение одного и того же материала может происходить как путем отрыва, так и путем сдвига в зависимости от условий его работы, схемы нагружения и напряженного состояния. Основой объединенной теории прочности является диаграмма предельных состояний, позволяющая одновременно исследовать прочность материалов на отрыв и на сдвиг и установить вид возможного разрушения. Напряжение, при котором происходит отрыв, обозначим ошр, а напряжение, соответствующее разрушению при сдвиге - Три.

Построение диаграммы основывается на допущении, что определяемые из опыта значения От? и Тр» для каждого материала постоянны и не зависят от вида напряженного состояния.

Диаграмма предельных состояний рельсовой плети представлена на Рис. 30.

Для реальных условий эксплуатации рельсовых плетей по диаграмме состояния можно определить три зоны напряженного состояния:

• зона ОАЕ - зона действия наибольших касательных напряжений;

• зона ОСД - зона действия наибольших нормальных напряжений;

• зона ОАВС - зона совместного действия касательных и нормальных напряжений.

Объединенная теория прочности приобретает практический интерес как наиболее простая и удачная схематизация явлений, сопутствующих механике разрушения рельсовых плетей. В соответствии с диаграммой предельных состо-

яний рельсовой плети, она может разрушаться от действия максимальных нормальных напряжений, от максимальных касательных напряжений и от совместного действия нормальных и касательных напряжений.

Расчетные величины действующих изгибных напряжений в рельсовой плети от поездной нагрузки значительно ниже пределов выносливости. В этом случае рельсовые плети не должны разрушаться по усталостным признакам при неограниченно большом количестве циклов напряжения (Режим тренировки). Но если рельсы в пути разрушаются под поездами, то это означает, что фактические напряжения в рельсах превышают пределы выносливости и задача состоит в том, чтобы выяснить, в каких случаях это происходит.

На основании статистических данных по изломам рельсовых плетей на Горьковской и других железных дорогах были построены кривые предельной наработки объемнозакаленных рельсов Р65 по пропущенному тоннажу, представленные на Рис. 5.

Кривые предельной наработки строились по максимальным и минимальным значениям пропущенного тоннажа для одного и того же значения характерного размера усталостной трещины (1. Кривые усталостного разрушения объемнозакаленных рельсов Р65, представлены на рис.6 были построены после расчета напряжений сткр в подошве рельсовой плети по значению характерного размера усталостной трещины ё.

Каждая кривая характеризует влияние величины критических напряжений на срок службы рельсовой плети. Для кривых максимальных значений снижение срока службы при увеличении критических напряжений произошло в 4 раза, а для кривой минимальных значений - в 9 раз.

Следует отметить, что кривые усталостного разрушения построены по реальным данным, где нет ни одной точки, которые бы характеризовали максимальную наработку рельсов в пути без их разрушения. Если же рассмотреть отношение максимально достигаемой наработки рельсовых плетей по усталостным признакам и максимальным и минимальным значениям пропущенного тоннажа с изломами рельсов по дефекту 69, то снижение рабочего ресурса рельсов в реальных условиях происходит от 2 до 12 раз!

Далее необходимо объяснить, почему в реальных условиях эксплуатации железнодорожного пути были получены 2 кривые усталости соответствующие максимальным и минимальным значениям пропущенного тоннажа До тех пор, пока амплитуда нагрузки остается неизменной (например, лабораторные испытания), проблема усталости не представляет особых затруднений, ибо её можно разрешить, опираясь на опытные данные. В реальных условиях работы рельсовой плети мы сталкиваемся с проблемой оценки влияния нагрузок, существенно отличающихся по величине, разнообразием схем взаимодействия колеса и рельса, частотой нагружения, отступлением от норм и многим другим, которое можно характеризовать, как случайные силовые воздействия, связанные с условиями эксплуатации Случайные силовые воздействия представляют собой перегрузки, которые изменяют величину действующих циклических напряжений и приводят к перенапряжениям.

Перенапряжения в рельсовой плети вызывают изменение свойств металла, которые отражаются на дальнейшей его работе. Прежде всего, эти изменения сказываются на числе циклов до разрушения (предел выносливости) и в меньшей мере на пределе усталости. Таким образом, уровень перегрузки определяет величину критического напряжения при разрушении, а разброс значений перегрузки изменяет долговечность рельсовой плети. В результате действия двух этих факторов и были получены 2 кривые усталостного разрушения объемноза-каленных рельсов Р65.

Если рельсовая плеть работает в режиме усталостного разрушения, то согласно теории суммирования повреждений от перегрузок, излом наступит в тот момент, когда сумма "приращения повреждений" становится равной единице,

т.е. £ =тН (5_1>

где п, - число циклов нагружения при перегрузке U,

N, - число циклов до разрушения при той же перегрузке U

При суммировании повреждений отклонения -^-обозначает через с — относительную длительность нагружения. Для многоступенчатого измерения перегрузки, условие долговечности записывается в виде:

с, +с2 +с} + --- + с„ = 1 (5-2)

То есть сумма повреждений за все время работы до разрушения должна равняться единице Зависимость справедлива без учета работы рельсовой плети в режиме "тренировки".

Как показали экспериментальные данные, приведенные в технической литературе, уменьшение прочности от перегрузок происходит значительно медленнее, чем уменьшение долговечности Разброс перегрузок изменяет кривую усталости. Наклонная часть кривой отодвигается влево, оставаясь параллельной своему первоначальному направлению. Характерной способностью металла к реакции на разброс перегрузок объясняется появлением второй кривой усталости, которую называют кривой безопасных перегрузок (или кривой перегрузок), которая дополняет обычную кривую усталости

Следовательно, представленные кривые усталостного разрушения на рис.6 есть кривая усталости (кривая 1), построенная по максимальным значениям пропущенного тоннажа и кривая разброса перегруза (кривая 2), построенная по минимальным значениям пропущенного тоннажа.

При рассмотрении взаимодействия пути и подвижного состава кривая ус- . талости и кривая разброса перегрузок характеризуют нерасчетное взаимодействие колеса и рельса, которое сопровождается перегрузками рельсовой плети и появлением в ней дополнительных локальных напряжений.

Осевая нагрузка отЮ до 25 тс создает в рельсах Р65 на прямом участке пути поездные изгибные напряжения от 200 до 500 кгс/см2 Максимально возможную динамическую нагрузку рельсовой плети, связанную с состоянием пути и вписыванием подвижного состава в кривые примем равной 30 %. Тогда максимальные значения изгибных напряжений в подошве рельса Р65 возрастут до 715 кгс/см2.

Допускаемые ползуны на колесах подвижного состава до 2 мм при осевой нагрузке в 25 тс увеличивают изгибные напряжения на 10 %. Следовательно, максимально возможные поездные изгибные напряжения в подошве рельса Р65 при расчетной схеме взаимодействия и при наложении всех неблагоприятных условий не превышают 800 кгс/см2

При таких напряжениях рельсовая плеть из Р65 работает в режиме "тренировки" и не разрушается по усталостным признакам при неограниченно большом количестве циклов нагружения. Следует подчеркнуть, что основная часть (90-95%) объемнозакаленных рельсов Р65 работает именно в режиме расчетного взаимодействия с поездной нагрузкой и не допускает поперечных изломов рельсовых плетей под поездами по усталостным признакам.

Таким образом, при расчетном взаимодействии колеса и рельса обеспечивается программа нагружения по режиму 1 и рельс не разрушается по усталостным признакам при неограниченно большом количестве циклов нагружения

Отсюда, первопричиной усталостных дефектов рельсовых плетей бесстыкового пути являются нерасчетные перегрузки, вызывающие перенапряжения в рельсах, при которых в металле зарождаются и развиваются трещины.

Для сравнительного анализа напряженного состояния рельсовой плети рассчитаны напряжения в рельсах и сведены в таблицу 12.

Таблица 12. Напряжения в рельсовой плети.

№ п/п Напряжения в рельсовой плети Величина напряжений (кгс/см'1)

акр От осевой нагрузки 1 Прочие напряжения 2 Дополн локальные напряжения 3

1 2 3 4 5 6

1 Критические напряжения разрушения рельсовой плети До 5000 и более

2 Максимальные изгибные напряжения в головке и подошве рельса Р65 при осевой нагрузке Р=25 тс 540-650

3 Динамические напряжения, связанные с состоянием пути и вписыванием в кривые 150

4 Перегрузка от удара ползунов до 2 мм 100

5 Возможные напряжения, связанные с угоном пути До 200

6 Касательные напряжения бокового распора при экстренном торможении До 60

7 Температурные напряжения в плети при разрушении 250-500 до 1000

8 Остаточные напряжения в рельсах До 1000

9 Собственные напряжения при сборке решетки ОтОдо 500

10 Касательные напряжения при крутильных деформациях плети От 0 до 5000 и более

Из таблицы 12 следует, что наибольшими напряжениями в рельсовой плети при воздействии нагрузок от подвижного состава являются дополнительные касательные напряжения, возникающие в местах крутильных деформаций рельсовых плетей. По абсолютной величине локальные напряжения соизмеримы с критическими напряжениями при разрушении рельсовых плетей Снизить или полностью устранить крутильные колебания и деформации рельсовых плетей под поездной нагрузкой возможно за счет повышения качества сборки путевой решетки и улучшения взаимодействия колеса и рельса. Вышеизложенные сведения позволяют представить кинетику усталостных дефектов рельсовых плетей. Основной причиной усталостного разрушения рельсовых плетей являются значительные по величине перегрузки рельсов, связанные с крутильными колебаниями и деформациями плетей под поездами, возникающими на некачественной рельсошпальной решетке. Клеммы рельсового скрепления КБ-65 препятствуют угловому развороту рельса и создают дополнительную перегрузку сечений рельса возле клемм. По сечениям перенапряжений рельсовой плети в металле инициируется возникновение и развитие трещин. В условиях действия напряжений, значительно превышающих предел выносливости, трещина при кручении может развиваться как вдоль, так и поперек рельсовой плети.

Внешний вид усталостных изломов рельсовых плетей свидетельствует о постепенном развитии трещин и этапах разрушения. При этом если перегрузки таковы, что напряжения достигают величин, достаточных для роста трещины, то она растет при этих нагрузках. Рост трещины прекращается при незначительных нагрузках и при напряжениях в рельсовой плети ниже предела усталости.

В сечениях перенапряжения рельсовой плети возникают процессы, предшествующие усталостному разрушению, а сама трещина возникает в местах наибольших напряжений в элементах рельса.

Продление срока службы рельсовых плетей с дефектом 69 путем установки накладок

Для продления срока службы рельсовых плетей, пораженных усталостными трещинами разработаны Технические указания коллективом специалистов Горьковской железной дороги и ВНИИЖТа в плане выполнения Указания МПС от 31.12.98г. № С-1552у «О мерах по предотвращению повреждаемости рельсов дефектом 69». Технические указания предназначены для опытного внедрения на дистанциях пути Горьковской и Московской железных дорогах, где уложен бесстыковой путь на участках, пораженными усталостными трещинами и поперечными изломами рельсовых плетей по дефекту 69. Одним из разработанных мероприятий является установка накладок при обнаружении одиночной усталостной трещины в подошве рельса.

При обнаружении в подошве рельсовой плети одиночной усталостной трещины по дефекту 69 выдается предупреждение на ограничение скорости грузовым поездам до 60 км/ч до установки накладок со струбцинами на сечение рельса с трещиной.

После установки накладки со струбцинами предупреждение на ограничение скорости отменяется В течении 24 часов после установки накладки со струбцинами комиссионно проверяется достоверность обнаружения одиночной усталостной трещины в подошве рельсовой плети. Составляется акт на обнару-

жение трещины и наличие расстройств на звене, где обнаружена трещина и принимается решение на постоянную установку накладок. Председатель комиссии - по должности не ниже старшего дорожного мастера. В акте приводится балльная оценка километра пути и неисправности пути в месте обнаружения трещины по ленте вагона путеизмерителя последнего прохода. При составлении акта на достоверность наличия трещины в подошве рельсовой плети выявляются и фиксируются в акте сопутствующие факторы на звене в 25 метров по 12,5 метров в ту и другую сторону от сечения с выявленной трещиной. К сопутствующим факторам поперечного излома рельсовых плетей относится' неплотное прилегание подрельсовых подкладок к подрельсовым площадкам железобетонных шпал, поперечный излом подкладок, срезание кромок нашпальных прокладок, полное ослабление затяжки клеммных болтов, разрушение двухвитковых шайб, различная деформация перьев подошвы рельса под поездной нагрузкой, измеренная флексометрами в шпальном ящике, расстройства балластной призмы.

Сечение с трещиной в подошве рельса отмечается белой масляной краской от головки до подошвы с наружной и внутренней стороны рельса. На рельс устанавливаются шестидырные накладки на болтах так, чтобы середина накладок располагалась на сечении рельса с трещиной, отмеченной краской. На шпале с трещиной и со второй по четвертую шпалу в ту и другую сторону резино-кордние подрельсовые прокладки заменяются на резиновые. Затяжка гаек на клеммных болтах на семи шпалах в месте установки шестидырных накладок должна быть произведена с усилием 8-10 кгм по динамометрическому ключу. При отсутствии динамометрического ключа зазор в двухвитковой шайбе между витками и средней части прилегания должен быть 1,0 - 1,5 мм. Гайки на клеммных болтах с 5-ой по 8-ю шпалу в ту и другую сторону от сечения с трещиной открутить на 3-4 оборота, смазать и затянуть с усилием затяжки 12-15 кгм по динамометрическому ключу. При отсутствии динамометрического ключа, зазор в двухвитковых шайбах между витками в средней части прилегания должен быть в пределах 0,8-1,2 мм.

Витки не должны быть сомкнуты полностью ни в коем случае.

Не разрешается устанавливать шестидырные накладки:

• на расстоянии менее 2,5 м крайнего болтового отверстия от конца рельсовой плети;

• на расстоянии менее 0,5 м оси крайнего болтового отверстия от зоны сварного стыка;

• в зоне появления выплесков, перекосов, просадок и других отступлений 3-4 степени, даже после их устранения.

Наличие в подошве рельсовой плети усталостной трещины с установленными шестидырными накладками без излома рельсовой плети классифицируется как дефект 69Н. Поезда по дефекту 69Н пропускаются с установленной скоростью. Срок службы рельсов по дефекту 69Н не ограничивается.

Рельсовая плеть с дефектом 69Н должна быть в течении месяца обследована дефектоскопной автомотрисой на предмет выявления других усталостных трещин в данной плети. Дефектоскопистам и монтерам пути указывается на возможность появления других усталостных трещин в подошве рельсовой плети с дефектом 69Н. При достоверном обнаружении второй, третьей и т.д. устало-

стной трещины в подошве рельса, рельсовая плеть с дефектом 69Н классифицируется как плеть с коррозионно-усталостными трещинами по дефекту 69.

Скорость движения грузовых поездов ограничивается до 60 км/ч. Скорость движения пассажирских поездов не ограничивается

В результате проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Зарождение и развитие усталостных дефектов в рельсовых шгетях бесстыкового пути происходит в качественных объемнозакаленных рельсах, не имеющих никаких внутренних дефектов и сверхнормативных отклонений по физико-механическим свойствам и химическому составу.

2. Основной причиной, объясняющей природу усталостных дефектов и механизм разрушения рельсовых плетей под поездами, в т.ч. и по дефекту 69, является их перегрузка, возникающая при нерасчетном взаимодействии пути и подвижного состава на некачественной рельсошпальной решетке

3. При нерасчетном взаимодействии пути и подвижного состава на некачественной рельсошпальной решетке, которое возникает локально по длине пути, рельсовая плеть испытывает дополнительную нагрузку, связанную с кручением и появлением касательных напряжений в рельсах.

4. Усталостная трещина в сечении излома рельсовой плети по дефекту 69 не являются причиной излома, а есть результат процесса разрушения, она указывает на действие локальной перегрузки рельсовой плети в сечении излома.

5. Кривые усталостного разрушения объемнозакаленных рельсов Р65, а именно кривая усталости и кривая перегрузок, полученные для реальных условий эксплуатации железнодорожного пути, показали, что критические перенапряжения при изломах достигают значений 5000 кгс/см2 и более.

6. Некачественная рельсошпальная решетка определяет максимальную величину критического напряжения разрушения (а«р) по абсолютному значению (от 1000 до 5000 кгс/см2 по кривым усталости).

7. Нестабильность в программе нагружения рельсовой плети дает кривую перегрузок и характеризуется большим разбросом по пропущенному тоннажу при одном и том же значении критического напряжения (о.),

8. Перегрузки рельсовой плети, связанные с состоянием колесных пар, уменьшают рабочий ресурс рельсов при одном и том же значении критического напряжения (Оч>)

9. Перенапряжения в рельсовой плети вызывают изменение свойств металла, зарождение и развитие трещин, которые отрицательно сказываются на его дальнейшей работе.

10. Уровень перенапряжений в рельсовой плети зависит от качества взаимодействия колеса и рельса.

11. Перегрузка рельсовых плетей и перенапряжения приводят не только к поперечным изломам рельсов, но и к зарождению трещин, которые вызовут развитие многих других дефектов в рельсовой плети при более низких напряжениях.

12. Перегрузку рельсовых плетей можно существенно снизить, и тем самым увеличить ресурс рельсошпальной решетки при введении сертификатов качества на ее элементы, введении контроля качества сборки путевой решетки на звеносборочных базах ПМС, повышении качества взаимодействия колеса и рельса.

Заключение

Перегрузки рельсовых плетей железнодорожного пути и связанные с ними перенапряжения, возникающие при взаимодействии пути и подвижного состава связаны с искажениями (отступлением) рельсошпальной решетки. На некачественной рельсошпальной решетке, с локальными отклонениями по длине пути, возникает кручение рельсов, которое воспринимается и уравновешивается клеммными болтами в рельсовом скреплении КБ-65.

В результате по сечению рельса возле клемм при кручении создаются условия для зарождения и развития усталостной трещины по дефекту 69, которые определяются действием максимальных напряжений Величина дополнительных напряжений перегрузки, возникающих локально на некачественной рельсошпальной решетке, существенно зависит от величины приложенной осевой нагрузки подвижного состава. Таким образом, усталость рельсовой стали понимается как свойство материала к трещинообразованию при локальных перегрузках.

Для снижения дополнительных локальных напряжений в рельсах необходимо повышать качество рельсошпальной решетки за счет повышения качества шпал и элементов рельсового скрепления, прежде всего за счет уменьшения допуска на колеюобразующие размеры Для повышения качества рельсошпальной решетки, собираемой на звеносборочных базах, на Горьковской железной дороге во всех ПМС внедрена система контроля качества рельсошпальной решетки. Она предусматривает сплошное измерение всех колеюобразующих размеров железобетонных шпал и металлических подкладок, выбраковку негодных и сортировку оставшихся. В результате качество рельсошпальной решетки, собранной в ПМС, характеризуется шириной рельсовой колеи величиной 1520 ± 0,5 мм. Такая путевая решетка характеризуется, как высококачественная со значительным увеличением рабочего ресурса рельса, путевой решетки и пути в целом.

Для снижения дополнительных локальных напряжений, возникающих в рельсовых плетях при эксплуатации, нами предложено установка накладок на рельсовую плеть с усталостной трещиной в подошве рельса и продольное смещение рельсовых плетей или их переукладка на участках пути, где фиксируются дефекты по рисунку 69, защищенные патентами НИЦ-ПУТЬ

За истекшие годы на дороге установлено более 1000 пар накладок на рельсы с усталостной трещиной в подошве «дефект 69Н» и не произошло ни одного излома рельсовой плети при пропуске 200-250 млн. тонн брутто для капитального ремонта пути В настоящее время по заданию ЦП МПС, ВНИИЖТ перерабатывает (нормативно-техническая документация по дефектам рельсов НТД / ЦП - 93), где нами предложена классификация дефектов рельсов с учетом настоящих исследований, проводимых по плану НИЦ-ПУТЬ Горьковской железной дороги.

Экономическая эффективность от внедрения предложений НИЦ-ПУТЬ по дороге и на сети железных дорог составила несколько миллионов рублей в год от увеличения рабочего ресурса рельсовых плетей бесстыкового пути Повышение качества рельсошпальной решетки положительно влияет так же на безопасность движения поездов, сохранность грузовых вагонов, снижение подрезки гребней, остроконечного наката колес подвижного состава и другое.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лесун А.Ф., Галунин А.П.. Способ стыковки рельсов звеньевого пути. Информационный листок ГЖД, ДЦИР, 1995г.

2. Лесун А.Ф., Шарадзе О.Х., Иванов П С. Влияние ширины колеи и качества рельсошпальной решетки на интенсивность износа элементов взаимодействия пути и подвижного состава. Сборник тезисов научных докладов, г. Омск, 1997 г.

3. Шарадзе О.Х., Лесун А.Ф., Малов Е.В. Шаблон для измерения пропеллер-ности железобетонных шпал. Информационный листок ГЖД, ДЦИР, 1998 г.

4. Лесун А.Ф., Иванов П.С., Русин А.Н., Виноградова Л.С. Шаблон НИЦ-ПУТЬ для измерения подуклонки подрельсовых площадок железобетонных шпал. Информационный листок ГЖД, ДЦИР, 2000г.

5. Лесун А.Ф., Галунин А.П., Логинов М.В. и др. Природа дефектов рельсов. Ресурсосбережение, прогнозирование, классификация. Научно-практическая конференция Колесо-рельс 2003г. Сборник докладов, ВНИИЖТ, Щербинка, 2003г.

6. Лесун А.Ф., Букин М.Н., Чурашов O.A. и др. Проблема «Колесо-рельс». Качество взаимодействия. XI международная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Тезисы докладов, Днепропетровск, ДИИТ, 2004.

7. Лесун А.Ф., Букин М.Н., Чурашов O.A. Классификация дефектов рельсов. XI международная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта», Тезисы докладов. Днепропетровск, ДИИТ, 2004.

8. Лесун А.Ф. Проблемы внедрения рельсового скрепления ЖБР-65 на ГЖД, XVII межвузовская конференция «Актуальные проблемы естествознания». Тезисы докладов, РГОТУПС, Москва - Нижний Новгород, 2004.

9. Лесун А.Ф. Опыт эксплуатации пути с качественной рельсошпальной решеткой в ПЧ-6 ГЖД. XVII межвузовская конференция «Актуальные проблемы естествознания». Тезисы докладов, РГОТУПС, Москва - Нижний Новгород, 2004.

10. Лесун А.Ф. Предотвращение излома рельсов по усталостному дефекту в подошве рельсовых плетей XVII межвузовская конференция «Актуальные проблемы естествознания». Тезисы докладов. РГОТУПС, Москва - Нижний Новгород, 2004.

11. Лесун А.Ф., Букин М.Н., Чурашов O.A. и др. Проблема «Колесо- ' рельс». Качество взаимодействия XI международная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Сборник научных трудов, Том 1, Днепропетровск, ДИИТ, 2004.

12. Лесун А.Ф., Букин М.Н., Чурашов O.A. и др. Классификация дефектов рельсов. XI международная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Сборник научных трудов, Том 1, Днепропетровск, ДИИТ, 2004.

13. Лесун А.Ф., Шайдуллин Ш.Н., Иванов П.С., Клочко А.П. и др. Способ сборки высококачественной рельсошпальной решетки железнодорожного пути. Решение на выдачу патента по заявке № 2004105001 от 20.02.2004г.

14 Лесун А.Ф., Шайдуллин Ш.Н., Иванов П.С., Клочко А.П. и др. Способ повышения качества рельсошпальной решетки железнодорожного пути Решение на выдачу патента по заявке № 2004105002 от 20.02.2004г.

15. Лесун А.Ф., Иванов П.С. и др. Почему рельсы ломаются в пути под поездами. Труды. Международная Научно-техническая конференция «Современные проблемы путевого хозяйства», Москва, МГУПС, 2004г.

16. Лесун А.Ф., Иванов П.С. и др. О природе бокового износа рельсов на прямых и в кривых участках пути. Труды. Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы путевого хозяйства», Москва, МГУПС, 2004г.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПРИ РАБОТЕ НАД ДИССЕРТАЦИЕЙ

1. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М., Транспорт, 1987 г., 479 с.

2. Альбрехт В.Г., Зверев Н.Б., Чирков Н.С., Шульга В.Я. Бесстыковой путь. M, Транспорт, 1982 г., 206 с.

3. Вериго М.Ф., Коган А .Я. Взаимодействие пути и подвижного состава М., Транспорт, 1986 г., 559 с.

4. Яковлева Т.Г., Шульга В.Я., Амелин C.B. Основы устройства и расчетов железнодорожного пути. М., Транспорт, 1990 г., 367 с.

5. Амелин C.B., Смирнов М.П., Рязанцев В.И. и др. Устройство, ремонт и текущее содержание железнодорожного пути. М., Транспорт, 1981 г.,286 с.

6. Приказ Министра путей сообщения Российской Федерации № 12-Ц от 16 августа 1994 года "О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий". М., МПС, 1994г.

7. Нормативно-техническая документация дефектов рельсов НТД/ЦП-93 M, Транспорт, 1993 г., 63 с.

8 Конюхов А.Д., Рейхарт В.А. Коррозионная усталость рельсов. Вестник ВНИ-ИЖТа,№2, 1995г.

9. Лысюк B.C. Исследование причин изломов рельсов в пути по дефекту 69 Отчет по НИР, М., ВНИИЖТ, 1992 г, 118 с.

10.К.Г. Шмигт-Томас. Металловедение для машиностроения. Справочник, М., Металлургия, 1995 г, 386 с.

11 .Колесников В.А., Кадырбеков Б.А. Основы инженерных расчетов на усталость. Алма-Ата, Мектеп, 1981 г., 260 с.

12 Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути. М., Транспорт, 2000 г., 95 с.

13 Яковлев В.Ф. Исследование сил взаимодействия колеса и рельса с учетом нелинейных односторонних связей и переменных масс. Труды ЛИИЖТа, вып. 238, 1964г, с.46-75.

14.Исследование контактной прочности рельсов Под редакцией Амелина C.B., Л., ЛИИЖТ, 1961 г., 125с.

15. Лысюк B.C. Накопление остаточных деформаций в пути. Журнал 111IX, № 1973 г., с. 44-45.

16.Управление надежностью бесстыкового пути. Под редакцией Лысюка B.C., М_ Транспорт, 1999 г., 373 с.

17. Расчеты на прочность в машиностроении. Под редакцией Пономарева С.Д.,

в трех томах, М., Машгиз, 1956-1959 г., том 1 - 884 е., том П - 974 е., том Ш -1118с.

18. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М., Машиностроение, 1977 г., 230 с.

19. Когаев В.П. Влияние концентрации напряжений и масштабного фактора на сопротивление усталости в статическом аспекте. М., Машиностроение, 1962г., 50 с.

20. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович Р.Н. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М., Машиностроение, 1975 г.

21.Серенсен C.B. Динамика машин для испытания на усталость. М., Машиностроение, 1967г.

22.Вопросы механической усталости. Сборник статей под редакцией Серенсена C.B., M Машиностроение, 1964г.

23.Вопросы усталостного разрушения сталей. Сборник переводных статей под редакцией Серенсена C.B., М-Л., Машгиз, 1957 г.

24.Серенсен C.B. Планирование и статистическая обработка результатов усталостных и длительных статистических испытаний материалов и элементов конструкций. М., Машиностроение, 1970 г.

25.Усталость и выносливость металлов. Сборник переводных статей. Под редакцией Ужика Г.В. М., издательство ИЛ, 1963 г., 497 с.

26.Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М., Металлургия, 1963г., 272с.

27.Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М., Металлургия, 1975 г., 455 с.

28.Усгалость и вязкость разрушения металлов. Под редакцией Ивановой B.C., М., Наука, 1974г.

29.Усталость металлов и сплавов. Под редакцией Ивановой B.C., М., Наука, 1971г., 122с.

30.Иванова B.C. Фрактографический метод определения длительности роста усталостных трещин в образцах и деталях. М., АН СССР, 1977 г.

31. Иванова B.C. Разрушение металлов. М., Металлургия, 1979 г. 167 с.

32. Шур Е.А. Повреждаемость рельсов. М., Транспорт, 1971 г., 1 Юс.

33. Шур Е.А. Конструктивная прочность стали и термическая обработка железнодорожных рельсов. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н., M., 1980г.

34.Иванов П.С., Клочко В.А. Совершенствование конструкции бесстыкового пути на мостах с ездой на балласте. Тезисы докладов, С.П., ЛИИЖТ, 2000 г.

35.Иванов П.С., Клочко В.А. Природа усталостных дефектов рельсовых плетей бесстыкового пути. Тезисы докладов, Днепропетровск, Украина, 2000 г

Зб.Иванов П.С., Клочко В.А. Механгом разрушения рельсовых плетей железнодорожного пути. Журнал Техническая механика, HAH Украины, № 1,2000 г

37 Иванов П. С, Клочко В А. Снижение касательных напряжений в рельсовых плетях бесстыкового пути. Тезисы докладов. С-П., ЛИИЖТ, 2001 г.

38 Иванов П С., Масягин C.B., Клочко В А. Почему заужена колея. Журнал IIIIX, № 5,2001г.

39.Иванов П.С., Малов Е.В., Кулемин В Н. Усталостное разрушение рельсов бесстыкового пути. Журнал ППХ, №№ 2, 3, 4, 5, 1998 г.

40.Иванов П.С., Малов Е.В, Русин А.Н. Улучшить качество рельсошпальной решетки. Журнал ППХ, №11, 1998 г.

41 Иванов П С Тайна 69-го дефекта. Журнал ППХ, № 4, 1999 г

42.Иванов П.С., Галунин А.П. Системная причина. Журнал жд транспорт, № 12, 1996 г.

43 Иванов П.С., Сейкетов А Ж и др. Способ стыковки рельсов звеньевого пути. Патент № 2037597 от 21.12.90 г., БИ № 17,1995 г.

44.Иванов П.С., Галунин А П. и др. Устройство для очистки и подрезки щебеночного балласта Патент 2093633 от 18.04.95 г., БИ 29,1997г.

45.Иванов П.С., Галунин А.П. и др. Рельсовое клеммно-болтовое скрепление. Патент 2105095 от 24.01.96 г., БИ 5,1998 г.

46.Иванов П.С., Кулемин В.Н. и др. Рельсовое скрепление. Патент 2112823 от 09.06.97 г, БИ Ко 16,1998 г.

47 Иванов П.С., Кулемин В Н., Клочко А.П. и др Подрельсовая прокладка. Патент 2121029 от 18.12.97 г., БИ 30,1998 г.

48 Оценка степени влияния искаженной рельсошпальной решетки на возникновение трещин коррозийной усталости в подошве рельсов Отчет ЗАО «ОНИЦ Перспективные технологии», Москва, 2001 г 87 стр.

49. Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520мм ГОСТ 10629-88 Государственный стандарт Союза ССР, Москва, 1988 г.

50. Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520мм Российской Федерации. Стандарт отрасли ОСТ 32.152-2000. МПС РФ, 2000г.

51 Рельсы железнодорожные типа Р65. Конструкция и размеры. ГОСТ 8161-75, Государственный стандарт Союза ССР, Москва, 1975г.

52 Рельсы железнодорожные Общие технические условия. ГОСТ Р51685-2000, Госстандарт России, Москва, 2000 г.

СОДЕРЖАНИЕ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1

1 АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ 4

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ

НА УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ РЕЛЬСОВ В ПУТИ 15

3 ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИГОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ПЛЕТИ 22

4 РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО -ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ПЛЕТИ ПРИ ИСКАЖЕНИИ РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ ... 31

5 КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ И МЕРЫ ПО ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ 51

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 68

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПРИ РАБОТЕ НАД ДИССЕРТАЦИЕЙ 69

Отпечатано в ДЦИР ГЖД Тираж 50 экз. Заказ № 12.

Продольное смещение рельсовой плети

В поперечном сечении излома рельса просматривается усталостная трещина по подошве рельса

Очень часто изломы рельсовых плетей и зарождение усталостных дефектов происходит по одной рельсовой нити.

, 1 ^ ^

Изломы рельсовых плетей по дефектам 69 и 79 происходит по сечению возле клемм рельсового скрепления КБ

Прогибомеры, установленные под подошву рельса, фиксируют продольное кручение плети в зоне обнаружения усталостной трещины и установки шестидырных накладок

В местах наибольшего количества изломов рельсов и обнаружения усталостных дефектов имеет место сверхнормативное заужение рельсовой колеи. Шаблон с фиксированным размером 1510мм не размещается в рельсовой колее.

Ширина колеи на лабораторном тарировочном стенде в зависимости от высоты измерительных упоров фиксируется штангенциркулем с точностью 0 1мм

Ширина колеи на лабораторном тарировочном стенде в зависимости от высоты измерительных упоров фиксируется индикаторной головкой с точностью 0 01мм

"4 2651

РНБ Русский фонд

2006-4 11528