автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Совершенствование деталей рельсовых скреплений на основе анализа их напряженно-деформированного состояния

РГ8 ОД 2 3 ИЮН 1997

На правах рукописи

АНТОНОВ Николай Иванович

Совершенствование деталей рельсовых скреплений на основе анализа их напряженно-деформированного состояния

05.22.06 - Железнодорожный путь

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск -1997

Работа выполнена в Сибирской государственной академии путей сообщения.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик Академии транспорта России,

Н.И. Карпущенко

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук заслуженный изобретатель России

Е.Б. Ткач

Кандидат технических наук, доцент

В.Н. Агуленко

Ведущее предприятие — Западно-Сибирская железная дорога

Защита состоится " 24 " июня 1997 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета К 114 02 02 в Сибирской государственной академии путей сообщения по адресу:

630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191.

С работой можно ознакомиться в библиотеке Сибирской

государственной академии путей сообщения. *

Автореферат диссертации разослан "24 "мая 1997 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

В.А.Грищенко

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Во всем мире значительное внимание уделяется вопросам разработки новых прогрессивных ресурсосберегающих и малообслуживаемых конструкций верхнего строения пути и совершенствованию деталей существующих, повышению их надежности и долговечности. В России также ведутся исследования в этом направлении, особенно актуальные в настоящее время, в связи с переходом к рыночным отношениям, компьютеризацией и внедрением современных расчетных методов в практику проектирования, появлению и использованию новых материалов и технологий в производстве.

Одной из важнейших проблем в области верхнего строения пути «а протяжении длительного времени яэлрс-тся проблема передачи нагрузки от рельса на подрельсовое оснований, которую выполняют рельсовые скрепления. О повышенном внимании к ней свидетельствует то, что в реферативных журналах ежегодно публикуются сообщения о патентах на 10-15 новых конструкций рельсовых скреплений, причем проявляется тенденция к их усложнению, что приводит к необходимости применения для анализа их работы современных расчетных методов.

Стремительное развитие вычислительной техники привело к значительному прогрессу методов строительной механики, использующихся для расчетов различных сложных конструкций. Появилась возможность создания уточненных моделей работы конструкций, выяснение влияния различных факторов, быстрая проверка различных инженерных решений, оптимизация параметров путем многовариантных расчетов, что позволяет сократить путь от идеи до ее практической реализации.

Тема диссертации тесно связана с отраслевыми научно-техническими программами по путевому хозяйству, некоторые работы выполнялись по заказам ВНИИЖТа и железных дорог, а также в рамках государственной научно-технической программы " Проведение комплекса исследований по созданию системы высокоскоростного железнодорожного транспорта и технических средств для высокоскоростной магистрали

Целью работы является разработка и применение приближенных расчетных схем, основанных на методе конечных элементов, для компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния деталей рельсовых скреплений с целью их совершенствования и при разработке новых конструкций.

К основным задачам исследования относятся.

Разработка и применение уточненных моделей и методик расчета на прочность деталей промежуточных рельсовых скреплений -пружинных противоугонов, подкладок для деревянных и железобетонных шпал, клемм нового рельсового скрепления для высокоскоростных магистралей, проведение и анализ результатов многовариантных расчетов напряженно-деформированного состояния этих деталей при различных конструктивных изменениях с выработкой рекомендаций для практического использования, экспериментальные исследования разработанных конструкций, внедрение полученных результатов в производство.

Методика исследований. Для решения поставленных задач используется метод конечных элементов ( МКЭ ) в перемещениях. Программы численной реализации алгоритмов отлажены и опробованы на решении тестовых сад г,а. Для проверки теоретических результатов автором проведены экспериментальные исследования противоугонов ряда конструкций и клемм нового скрепления.

Научная новизна. Разработана методика и предложены новые расчетные схемы для определения напряженно-деформированного состояния пружинных противоугонов произвольного продольного и поперечного очертаний как плоских кривых брусьев, подкладок для деревянных шпал на вертикальную и боковую нагрузки как тонких пластинок переменной толщины на упругом винклеровском основании с учетом трения подкладок по основанию и податливости костылей, подкладок для железобетонных шпал как пластинок переменной толщины на равноупругом и неравноупругом основании, двух видов клемм нового скрепления как пространственных многовитковых кривых брусьев.

Составлены итерационные алгоритмы и отлажены программы расчетов на ЭВМ методом конечных элементов противоугонов и подкладок. Проведены многовариантные расчеты деталей скреплений при различных конструктивных изменениях, выполнен анализ результатов и выработаны рекомендации по их практическому использованию.

Предложен вариант конструкции нового безболтового малооб-служиваемого упругого рельсового скрепления для высокоскоростных магистралей и его клемм, проведены многовариантные расчеты напряженно-деформированного состояния двух видов клемм этого скрепления. Изготовлены 26 симметричных клемм различных вариантов. Проведены экспериментальные исследования некоторых из этих клемм.

Разработаны и изготовлены макетные образцы устройств для ручной "мягкой" установки противоугонов на рельс и для монтажа клемм безболтового скрепления в рабочее положение, макетный образец безболтового скрепления.

Практическая ценность работы. Применение уточненных'расчетных схем позволяет вскрывать резервы, более обоснованно проводить совершенствование и находить более экономичные и менее материалоемкие решения для деталей скреплений. Разработанный автором лротивоугон усовершенствованной конструкции вошел в новые технические условия ТУ-32-ЦП-811-95 и внедрен в производство. Экономический эффект от применения этой конструкции составляет около 4-х млрд. руб в год ( на 01.02.1997г.) только за счет экономии высококачественной пружинной стали, идущей на их изготовление.

Результаты расчетов подкладок используются ВНИИЖТом и ПТКБ ЦП при разработке конструкторской документации на изготовление костыльных подкладок для кривых участков пути и подкладок скрепления БПУ.

Новое малообслуживаемое упругое рельсовое скрепление является безболтовым, малодетальным, экономичным по материалоемкости и эксплуатационным расходам, обеспечивает стабильность прижатия рельсов к основанию и надежную электроизоляцию рельсов от шпал, при доработке может найти широкое применение в новых конструкциях пути.

Разработанное автором устройство для ручной "мягкой" установки противоугонов на рельс увеличивает срок более надежной работы противоугонов в 1.2-1.3 раза, устройство для монтажа клемм нового рельсового скрепления не имееет аналогов и позволяет быстро приводить клеммы в рабочее положение.

Реализация результатов работы. Результаты исследований и . разработки конструкции усовершенствованного противоугона облегченной конструкции реализованы во " Временных технических требованиях на изготовление опытной партии противоугонов ПШ65-3 и ПШ65-4 к ' железнодорожным рельсам типа Р65 ( ОП ТТ1-87 )в " Технических требованиях на изготовление пружинных противоугонов сечением 22x22 мм к железнодорожным рельсам Р65 ( ТТ1-89 ) в технических условиях " Противоугоны пружинные уменьшенного сечения к железнодорожным рельсам. Опытная партия. ТУИ4-4-1224-83. Изменение Nal,", в технических условиях " Противоугоны пружинные к железнодорожным

рельсам. ТУ-32-ЦП-811-95. ( Введены впервые). Срок введения с 01.07.95. МПС РФ, М., 1995".

Результаты исследований подкладок для деревянных и железобетонных шпал использованы ВНИИЖТом и ПТКБ ЦП при разработке конструкторской документации на их изготовление.

Результаты исследований нового безболтового упругого скрепления для высокоскоростных магистралей используются ВНИИЖТом и французской фирмой БТЕйЕР.

Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные ее положения и разделы докладывались и были одобрены: на совещаниях в техническом отделе ЦП МПС СССР, (г. Москва, 1987-1990 гг.), на научно- технических совещаниях лаборатории рельсовых скреплений ВНИИЖТа (1986-1992 гг), на научно-технических совещаниях лаборатории крепежных изделий ВНИИМетиза и технического отдела Магнитогорского калибровочного завода ( г. Магнитогорск, 1986-1992 гг.), на научно-техническом совещании в РАО " Высокоскоростные магистрали " ( г. Ленинград, 1993г. ), на научно-технических конференциях НИИЖТа - СГАПСа ( 1976-1997 гг.) , на заседаниях кафедр " Высшая математика " и " Путь и путевое хозяйство " НИИЖТа-СГАПСа в 1990-1997гг„ на переговорах с французской фирмой БТЕОЕР.

Публикации. По результатам выполненных исследований, изложенных в диссертации, опубликовано 14 статей в сборниках научных трудов и научно- технических журналах и выполнено 13 научно-технических отчетов.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 196 страниц, в том числе 113 страниц основного текста, 54 рисунка, 29 таблиц. Список использованных источников содержит 125 наименований.

Содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности работы и основные положения диссертации, которые выносятся на защиту.

В первой главе сделан обзор исследований, посвященных развитию методов расчета пружинных противоугонов, рельсовых подкладок для деревянных и железобетонных шпал, клемм, современному расчетному методу конечных элементов и оценке прочности деталей скреплений.

Для железнодорожного пути большое значение имеет предотвращение угона рельсов, который приводит ко многим негативным последствиям, таким как нарушение изоляции в изолирующих стыках, изменение величины стыковые зазоров, смещение стыкового

узла из центра межшпального ящика, перекосу шпал, смещению шпал с уплотненных постелей и другим. При использовании костыльных подкладок для закрепления пути от угона применяют различные виды противоугонных приспособлений. В последнее время в нашей стране и за рубежом отдается предпочтение различным видам пружинных противоугонов.

Разработкой конструкций противоугонов и исследованиями их работы занимались ряд отечественных и зарубежных ученых:

B.Г. Альбрехт, В.Ф. Афанасьев, П С. Гайдамака, Н.А. Горох, А.К. Гучков, Н.Н. Елсаков, Г.И. Жадан, А.Е. Иванов, Н.И. Карлущенко,

C.И. Малехин, А.Г. Монастырный, И.И. Ратнер, * W. Blackford, J. Buttner, L. Cantwell, V. Dale, G. Fee, K. Fiechter, J. Gallager, A. Holubiuk, W. Klocinski, J. Liebenthal, P. Margraf, H. Moehren, F. Preston, A. Sant и другие.

Анализ многочисленных конструкций пружинных противоугонов, опубликованных в зарубежной и отечественной литературе, дает основание считать в качестве наиболее перспективных конструкций противоугоны из профильного проката , потому что в них более рационально распределён материал с точки зрения использования прочностных свойств и можно получить металл более высокого качества при закалке из-за меньшей толщины детали.

Принимая во внимание трудности быстрого освоения выпуска таких конструкций на существующем оборудовании, необходима и возможна оптимизация противоугонов прямоугольного и квадратного поперечных сечений за счет изменения продольной конфигурации и размеров поперечного сечения. Проведение такой оптимизации возможно при использовании какой-либо общей расчетной схемы при некоторых общих для рассматриваемого класса противоугонов допущениях.

Наиболее универсальным и широко распространенным в практике инженерных расчетов в настоящее время является метод конечных элементов, который и был использован в работах автора и Н.И. Кар-пущенко, автора, Н.И. Карпущенко и Н.А. Гороха для расчетов различных конструкций противоугонов.

Промежуточные рельсовые скрепления, связывающие рельс с основанием, имеют важнейшее значение в обеспечении надежной работы пути. В последнее время значительное внимание уделяется вопросам создания надежных, экономичных и технологичных в изго-* товлении видов скреплений и совершенствованию их деталей, о чем свидетельствуют многочисленные публикации патентов и статей в научно-технической литературе. Совершенствованию конструкций,

расчетам и наблюдениям за работой скреплений посвящены работы Г. М. Шахунянца, В.Г. Альбрехта, Г.Е. Андреева, В.Ф. Афанасьева, Ю.Д.Волошко, Л.Я. Воробейчика, А.И. Гасанова, П.С. Гайдамаки, В. П. Гнатенко, А.К. Гучкова, А.Н. Даренского, A.A. Демидова, H.H. Елсакова, О.П.Ершкова, Э.П. Исаенко, Н.И. Карпущенко, В.И. Климова, С.И. Клинова, Н.Д. Кравченко, В.В. Купцова, И.Г. Лизо-губа, B.C. Лысюка, Н.П. Настечика, С.П.Першина, Н.П. Петрова, Н.П. Настечика, А.К. Уразбекова, Ю.Ф. Шварца, В.Я. Шульги, Л. Г. Эрадзе, G. Baluha, W. Bladeka, Т. Brown, A. Dysko, J. Eisenmanna, G. Fee, A Hanna, J. Kennedy, A. Kerra, A. Kozlowski, W. Klosinski, R. Prause, S. Umeda, K. Watanabe, A. Zarembski и других.

Центральными элементами рельсовых скреплений, передающих усилия от рельса на шпалу, являются подкладки, которые являются сложными пространственными элементами конструкции пути, так как они имеют значительные размеры в плане по сравнению с высотой, ослаблены отверстиями, имеют резко меняющуюся высоту поперечного сечения и сложный характер нагружения.

На начальном этапе подкладки считались достаточно жесткими и их расчета на прочность не производилось. В дальнейшем получила распространение схема расчета подкладки как балки на упругом основании. При этом использовались модели основания винклеров-ского типа, упругой полуплоскости и полупространства. Расчет подкладок как балок производился методом Жемочкина, методом начальных параметров, полуэмпирическими методами. Оценивалось их напряженное состояние и величина давлений на шпалу.

Размеры большинства современных подкладок таковы, что у них отношение толщины к ширине Н/В<1/5, поэтому более приемлемой является их расчетная схема в виде тонкой пластинки на упругом основании. Такая модель даст возможность более точно учесть некоторые существенные моменты действительной работы подкладки, в том числе количество, размеры и расположение отверстий, влияние реборд, местный характер приложения нагрузок от закладных и клеммных болтов, неравномерность передачи нагрузок по площадкам контакта, и другие особенности.

Модели подкладок как пластинок на упругом винклеровском основании были впервые применены в работах автора, а также автора и Н.И. Карпущенко для решения различных задач расчета подкладок для деревянных и железобетонных шпал. Расчет осуществлялся методом конечных элементов с использованием прямоугольных несовместных изгибаемых элементов тонкой пластинки с тремя степенями свободы в узлах.

В современных конструкциях рельсовых скреплений для деревянных и железобетонных шпал в последнее время все чаще применяют клеммы, обладающие собственной значительной упругостью -пластинчатые - ЖБ, ЖБР, Д4, Д4у, БП-65, БПУ-65 ( все - СССР ), RN, Набла ( Франция ), " № 102 " тип 8" ( Япония ), и другие, а также прутковые сложного пространственного очертания - типа "Краб",АРС (Россия), Пандрол (Англия), Фоссло, НМ, WS-8 ( Германия ), SB-3 ( Польша ), Фист ( Швеция ), и другие.

Расчет клемм является сложной задачей, до последнего времени не имеющей общепринятой методики расчета. flpn совершенствовании существующих и разработке новых видов клемм можно использовать метод конечных элементов и расчетную схему клеммы выбирать, в зависимости от ее конфигурации, либо в виде криволинейного бруса переменного сечения, или в виде оболочки, ослабленной отверстием, а также использовать пространственные иэопара-метрические конечные элементы.

В настоящей работе расчетные модели двух видов клемм безболтового скрепления для высокоскоростного движения выбраны в виде пространственных криволинейных брусьев. Расчеты производились методом конечных элементов с использованием объемных 20-узловых конечных элементов при помощи современного вычислительного программного комплекса ANSYS. Исследовано напряженно-деформированное состояние двух видов клемм при различных конструктивных изменениях. Приведены результаты экспериментального исследования некоторых вариантов клемм.

Как показывает анализ литературных источников, в последние годы при расчетах разнообразных конструкций наибольшее применение получил метод конечных элементов ( МКЭ ). При применении МКЭ возможен более точный учет работы и взаимодействия деталей скреплений, и, следовательно, более обоснованные предложения по их совершенствованию. Трудно переценить полезность МКЭ при создании новых видов скреплений. Так как метод разработан исключительно для расчетов на ЭВМ, то появляются большие возможности для расчета уточненных моделей взаимодействия деталей скреплений и их многовариантных расчетов с целью выбора лучших решений.

Детали скрепления должны быть прочными длительное время, что может быть достигнуто, если не происходит их разрушения как в течение короткого времени при действии максимальных нагрузок, так и при длительном действии переменных нагрузок от подвижного состава. Поэтому приемлемыми можно считать оценки прочности и

выносливости этих деталей в рамках соответствующих расчетных моделей. В некоторых случаях требуется проверка условий ненаступления текучести, так как в противном случае могут существенно измениться условия работы конструкции.Для оценки статической прочности в наиболее напряженной точке детали для пластичнх материалов условие прочности можно выбрать в виде:

о (аАла,. <о4 . ( 1 )

В качестве критерия ненаступления пластических деформаций можно выбрать условие:

с, <ог л о, <ог , (2)

где о, = - о~У + (аг - аг)г +• (а,-а,)2 - интенсивность напряжений, аь, ат- соответственно пределы прочности и текучести для данного материала, а„а2,о-3 - главные напряжения в опасной точке.

Условие усталостной прочности для многокомпонентного напряженного состояния можно записать в виде:

с'. + V О-и, . (3)

где а'„ и а'я - эквивалентные переменные и постоянные напряжения, сг_ш - предел выносливости детали, >сав- коэффициент влияния постоянных напряжений для детали.

Для переменных напряжений в качестве эквивалентного здесь выбирается интенсивность напряжений

=ж' (а>* ~ ст")! + +6 ■ Н»+г>-»+х*>°) -

(4 )

а для постоянных напряжений используется наибольшее нормально^ напряжение

< = (5)

В случае более простых напряженных состояний расчетные условия прочности можно получить из приведенных выше, полагая равными нулю отсутствующие компоненты.

Как правило, инженерные конструкции проектируются с некоторыми запасами по прочности. Для выбора коэффициента запаса по прочности используется опыт проектирования и исследования работы конструкций, желательно, аналогичных рассматриваемым. Целесообразно эти коэффициенты рассчитывать для существующих конструкций и сравнивать с аналогичными при различных конструктивных изменениях.

Исходя из приведенного обзора, сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований пружинных противоугонов различных конфигураций.

Выпускаемые в России серийно вплоть до последнего времени противоугоны только квадратного поперечного сечения имеют ряд существенных недостатков, препятствующих их надежной работе. Среди них можно отметить малость упругого раскрытия паза скобы, большое расстояние между скобой противоугона и боковой гранью подошвы рельса, допускающее возможность значительной перебивки противоугона относительно проектного положения при установке на рельс, большие допуски на изготовление противоугонов и рельсов, и ряд других. Срок и надежность работы противоугонов значительно сокращается из-за их установки кувалдой.

Анализируя работу противоугонов и точки, в которых возникают максимальные напряжения, можно прийти к выводу, что главной деформацией является изгиб в плоскости симметрии противоугона от смещения опор противоугона при его постановке на рельс, а также дополнительный изгиб в этой же плоскости при действии сил угона. Для обеспечения стабильности удерживающей силы при монтажных и эксплуатационных нагрузках материал противоугона должен работать в пределах упругих деформаций. Если удерживающее усилие противоугона превышает минимально допускаемое, то при этом лучшим будет более упругий проТивоугон.

Поэтому на проектной стадии расчет противоугонов на прочность и оценку их минимального удерживающего усилия можно вести с помощью плоской схемы расчета и использовать плоские балочные конечные элементы с тремя степенями свободы в узлах (две линейные и угол поворота).

Расчетная схема противоугона приведена на рис. 1. а алгоритм расчета - на рис.2. Подсчет напряжений в опасном сечении производился по формулам изгиба кривого бруса большой кривизны:

N М-у

~ Р +Ы'.-у)'

где N им- соответственно продольная сила и изгибающий момент, г,, у, е, г„ - соответственно площадь сечения, расстояние от нейтральной линии в этом сечении до рассматриваемой точки, расстояние от центра тяжести сечения до нейтральной линии, радиус нейтрального слоя.

Расчет проводился по программе для ЭВМ, разработанной автором на основе приведенного алгоритма и отлаженной при решении тестовых задач.

На основании анализа результатов многовариантных расчетов 5 различных продольных конфигураций и различных размеров поперечного сечения для изготовления и проведения экспериментальных исследований был выбран противоугон усовершенствованной конструкции уменьшенного поперечного сечения размерами 22x22 мм, для которого были*разработаны Технические условия. По результатам лабораторных испытаний и исследований на опытном Экспериментальном кольце ВНИИЖГа эти противоугоны с некоторой корректировкой были рекомендованы для выпуска опытно-промышленной партии. Сравнительный анализ стандартных испытаний лротивоуго-нов типовой и усовершенствованной конструкций приведены в табл. ¿. Проводились и нестандартные испытания. Так, после 10-кратной установки на рельс среднее значение сдвигающего усилия противоугонов опытно-промышленной партии составило более 10 кН и превысило на 56% аналогичный показатель для противоугонов ти-

Рис.1. Расчетная схема противоугона

Рис. 2. Схема алгоритма расчета

Таблица 1

Характеристики удерживающей способности противоугонов после 6-кратной постановки на рельс

Противоугоны

Показатели Из квадрата 25x25 мм по ТУ 14-41438-87 Из квадрата 22x22мм по ТУ 14-4-1224-83 Опытные, лабораторная партия Опытные, ОПЫТНО* промышленная партия

Среднее значение сдвигающего усилия, Т, кН 8.Т . (100 У.) 9.45 (108.6 % ) 14.22 (164.3% ) 11.89 ( 136.754 )

Среднее квадра-тическое отклонение, кН 1.5 0.82 4.79 1.68

Коэффициент вариации 0.17 0.09 0.34 0.14

повой конфигурации с такими же размерами поперечного сечения. При перебивке до упора в боковую грань подошвы рельса, возврате в проектное положение и проведения испытаний противоугоны типовой конструкции не держались на рельсе, в то время как противоугоны опытно-промышленной партии имели среднее удерживающее усилие более 6 кН.

Производились экспериментальные исследования по растяжению паза захвата противоугонов различных конструкций, так как доказано, что именно эта деформация является определяющей для создания удерживающего усилия. Эти эксперименты показали, что противоугоны /совершенствованной конструкции, при соответствии их Техническим условиям, имеют лучшие показатели, чем противоугоны типовой конструкции.

Рассмотрен вопрос о величине допусков на изготовление противоугонов и рельсов . Для обеспечения стабильной работы противоугонов их значения должны удовлетворять следующим соотношениям:

+ +а;+*;+^('++ М *А- -■

(7)

где S'r ,s; ,S'p,5~r - соответственно допуски подошвы рельса по вертикали и допуски раскрытия скобы противоугона по вертикали в проектном положении до постановки на рельс;

л;,/»; - допуски подошвы рельса по горизонтали, s- номинальное горизонтальное расстояние между боковой гранью подошвы рельса и скобой противоугона, л; ,й; - допуски максимального внутреннего горизонтального размера между зубом противоугона и скобой; ¿„.¿„.Aj, - соответственно номинальное, максималь-

1 9 В1П ' ИМ '

ное и минимальное раскрытия паза захвата.

Используя результаты экспериментов по растяжению паза захвата, получено, что в случае, если принять все допуски одинаковыми, а минимальное удерживающее усилие 6.0 кН, то величины допусков не должны.превышать 0.2 мм. Так как обеспечить такие допуски на существующем оборудовании затруднительно, то важное значение приобретает точная, без перебивки, установка противоуго-нов в рабочее положение, что затруднительно обеспечить при их установке кувалдой. Поэтому автором было разработано и изготовлено устройство для ручной " мягкой" установки противоугонов на рельс, применение которого позволит значительно увеличить срок более надежной работы противоугонов.

Так как напряжения в опасном сечении противоугонов распределяются весьма неравномерно, то очевидно, что более экономичными по материалоемкости будут противоугоны из профильного проката. Произведены расчеты большого количества вариантов противоугонов П- образного и Т- образного поперечных сечений. Сравнительный анализ показывает, что при меньшей массе, чем имеют противоугоны прямоугольного поперечного сечения, противоугоны из профильного проката имеют удерживающее усилие в 1.5-2 раза больше. Поэтому рекомендуется освоение их выпуска и применение, особенно на тяжелых, с точки зрения угона, участках пути, где необходимо для обеспечения более благоприятных условий контакта противоугонов со шпалами применять шпалы без обзола.

В третьей главе произведены расчеты и анализ напряженно-деформированного состояния костыльных подкладок для деревянных шпал и подкладок скрепления БПУ для железобетонных шпал при их различных конструктивных изменениях и даются рекомендации по совершенствованию этих конструкций.

Для расчетов используется метод конечных элементов. Расчетные модели подкладок приняты в виде тонких пластинок на упругом винклеровском основании. Разработан алгоритм и отлажена на решении тестовых задач программа расчетов подкладок на ЭВМ.

Некоторые результаты получены с помощью современного конечно-элементного вычислительного комплекса АЫЭУБ.

Исследовалось напряженно-деформированное состояние костыльных подкладок для деревянных шпал при действии вертикальной и боковой нагрузок и крутящего момента с учетом податливости костылей и трения по подошве подкладки. Вертикальная нагрузка распределялась равномерно по площади олирания рельса на подкладку, боковая нагрузка распределялась равномерно по ширине подкладки и прикладывалась к середине реборды, нагрузка от крутящего момента распределялась по линейному закону.

Проводились многовариантные расчеты подкладок при изменениях их длины, ширины, толщины, подуклонки, введению 6-го костыльного отверстия, расположению краев отверстий под костыли, крепящие рельс к шпапе. вровень с ребордами подкладок. Схема нагрузок в кривой и характерный вид давлений на шпалу по длине подкладки по среднему ее сечению приведены на рис. 3.

Сравнивая напряженно- деформированное состояние подкладок Д65 с размерами в плане 360x170 мм и ДН6-65, имеющей размеры в плане 380x185 мм и шесть отверстий под костыли, можно отметить, что максимальные напряжения в подкладке ДН6-65 меньше на 3%, а максимальные давления подкладки на шпалу - меньше на 25 %, причем они распределяются по площади олирания на шпалу более равномерно.

Дальнейшее увеличение длины подкладки при фиксированной ширине ведет к росту напряжений в подрельсовой зоне и уменьшению максимальных давлений на шпалу. Так, при размерах подкладки в плане 400x185 мм максимальные напряжения увеличились , по сравнению с таковыми у Д65 на 9 %, а давления на шпалу уменьшились на 38 %. Уменьшение толщины подкладки с размерами в плане 380x185 мм на 2 мм по всей подкладке приводит к возрастанию максимальных напряжений на 22 % , по сравнению с таковыми у подкладки ДН6-65, и уменьшению максимальных давлений на шпалу на 4%, при этом масса подкладки уменьшается на 12.5%.

Коэффициенты запаса по прочности, текучести и усталостной прочности подкладок во всех рассмотренных случаях поевосходят минимально допустимые, а их наибольшую величину имеет подкладка ДН6-65.

Введение шестого костыльного отверстия приводит к перераспределению напряжений в подкладке, но не оказывает существенного влияния на их максимальную величину, максимальные горизонтальные перемещения подкладки при этом уменьшаются в 1.2 раза

ГТТ

гт

■2tn -200 -fSO -ISO -JO -M a '■ ¿wZ.fi"

Рис. 3. Действие нагрузок на подкладку и давления от подкладки ка шпалу. 1- размеры в плане 360x170 ми;

2-размеры в плане 380x185 мм, 6 костылей;

3- размеры в плане 400x185 мм, 6 костылей.

по сравнению с таковыми при 5 костылях, что должно обеспечить большую стабильность рельсовой колеи в поперечном направлении.

Изменение подуклонки с 1:20 до 1:15 в кривых практически не изменяет напряженно-деформированное состояние подкладки и ее давлений на шпалу.

Если сделать края костыльных отверстий, заходящие под подошву рельса, вровень с ребордой, то в кривых это не оказывает существенного влияния, а на прямых участках, при вилянии колеса внутрь колеи, максимальные напряжения уменьшаются в 1.3 раза, что должно привести к увеличению срока службы подкладок.

Если в прямых участках пути увеличить длину подкладки внутрь колеи на 20 мм и сделать подуклонку 1:15 с изменением толщины в

1К

подрельсовой части от 16.6 мм до 26.6 мм, то максимальные напряжения уменьшаются в 1.52 раза, а максимальные давления на шпалу в 1.27 раза, что должно привести к существенному увеличению срока службы как подкладок, так и шпал .

Одним из наиболее перспективных скреплений для железобетонных шпал в настоящее время является скрепление БПУ, разрабатываемое ВНИИЖТом. Важнейшими преимуществами этого скрепления перед типовыми для России скреплениями КБ являются его экономичность, более высокая упругость вследствие более совершенной конструкции прокладок и клемм, а также то, что клемма и подкладка крепятся к шпале одним болтом. Для подкладки БПУ автором было исследовано влияние на ее напряженно-деформированное состояние изменений толщин в подрельсовой зоне и по краям, применение нашпальных прокладок различной упругости, а также эффективность применения прокладок с различной жесткостью в середине и по краям.

Подкладка рассматривалась как тонкая пластинка на упругом винклеровском основании под действием вертикальной нагрузки от подвижного состава и от закладных болтов с учетом их ослабления под действием нагрузки от подвижного состава. Средняя нагрузка от подвижного состава принималась равной 58.9 кН, а максимальная -78.5 кН, что находится в соответствии с рекомендациями " Технических требований на проектирование рельсовых скреплений Для некоторых вариантов сравнивалось НДС подкладок скрепления БПУ с размерами в плане 360x165 мм и подкладок БП с размерами в плане 360x142 мм при одинаковых соответствующих толщинах середины и краев.

Сравнение результатов расчетов показало, что при одинаковой длине и соответственно равных толщинах середины и краев более широкие подкладки имеют коэффициенты запаса по усталостной прочности в 1.08...1.14 раза больше.

Для подкладки с размерами в плане 360x165 мм при использовании нашпальной прокладки повышенной упругости толщиной 13...14 мм с коэффициентом постели с, = 15 Мпа/см при толщине краев 15 мм приемлемой толщиной середины является величина 17...18 мм.

Показано, что применение неравножестких нашпальных прокладок с жесткостью в середине большей, чем по краям, значительно повышает усталостную прочность подкладки и приводит к меньшему перепаду усилий в закладных болтах, что должно положительно отразиться на их долговечности, а также и на долговечности клемм.

Вместе с тем, применение неравножестких нашпальных прокладок, при одинаковых усилиях на подкладку, приводит к повышению максимальных удельных давлений на прокладку, по сравнению с равножесткими. По этой причине нецелесообразно превышение жесткости средней части прокладки над жесткостью ее краев более, чем в 2...2.5 раза.

В четвертой главе приводятся результаты исследований клемм нового безболтового скрепления для высокоскоростных магистралей.

Старшим научным сотрудником ВНИИЖТа В.В.Купцовым предложено безболтовое скрепление оригинальной конструкции. Автором настоящей диссертации исследовалось напряженно-деформированное состояние ( НДС ) несимметричных клемм прямоугольного сечения этого скрепления с целью определения их размеров, обеспечивающих необходимую прочность и жесткость по контакту с рельсом. В результате работы были предложены существенные улучшения конструкции: изменена конфигурация анкера для возможности фиксации конца клеммы, контактирующего с анкером, предложена симметричная клемма круглого поперечного сечения, проведены ее многовариантные расчеты, осуществлен выпуск лабораторной партии и проведены экспериментальные исследования. Вид скрепления с симметричными клеммами приведен на рис. 4.

Рис. 4. Узел скрепления с симметричными клеммами.

Для расчета предлагаемого скрепления применен метод расчленения конструкции на две подконструкции - клемму и систему подошва рельса- прокладка-анкер-шпала". Для моделирования НДС подконструкции применен метод конечных элементов. Расчет проводился с помощью вычислительного комплекса ANSIS. Анализ клемм показал, что их расчетную схему можно выбрать в виде пространственного многовиткового кривого бруса, работающего на изгиб и кручение. При расчете использовались пространственные изопарамет-рические 20-узловые конечные элементы с тремя степенями свободы в каждом узле.

Проведены многовариантные расчеты несимметричных клемм прямоугольного поперечного сечения при различных его размерах, различных диаметрах пружины и количества витков. Определены размеры клемм, которые обеспечивают их вертикальную жесткость по контакту с рельсом 0.48-0.74 кН/мм. Такие клеммы , при условии изготовления их из стали с пределом прочности не менее 1500 Мпа, могут обеспечить вертикальное нажатие на подошву рельса 6.5...8.5 кН при коэффициенте запаса по прочности 1.5, и предельное нажатие 9.8...12.7 кН.

Более рациональной, с точки зрения технологии изготовления , работоспособности, установки клеммы в рабочее положение является предложенная автором настоящей диссертации клемма симметричной конструкции круглого поперечного сечения, имеющая в середине петлю, опирающуюся на анкер, и два конца, опирающиеся на верхнюю и боковую грани подошвы рельса. В результате экспериментов более удобным для монтажа в рабочее положение оказался вариант этой клеммы с петлей, опирающейся на подошву рельса и концами, зацепляющимися за анкер.

' Проведены многовариантные расчеты симметричных клемм 4-х вариантов внутренней конфигурации с целью определения их прочности и жесткости при установке в рабочее положение. Максимальная упругость в вертикальном направлении, которую удалось получить для симметричных клемм, равна 0.68 кН/мм. При изготовлении такой клеммы из стали с пределом прочности 1500 Мпа она обеспечивает нажатие на подошву рельса 5.76 кН при коэффициенте запаса по прочности, равном 1.5, а предельное нажатие 8.61 кН. Масса такой клеммы равна 0.83 кг. Из анализа результатов расчетов наиболее приемлемой представляется 4-х витковая симметричная клемма имеющая вертикальную жесткость около 1.74 кН/мм, массу 1.15 кг и обеспечивающую вертикальное давление на подошву рельса 9.98 кН при коэффициенте запаса по прочности, равном 1.5, и максимальное давление 15.7 кН.

Были изготовлены 26 симметричных клемм различных вариантов, и проведены экспериментальные исследования некоторых из них, показавшие хорошее соответствие с результатами численных расчетов. Изготовлен макетный образец скрепления с симметричными клеммами и устройств'о для монтажа клемм в рабочее положение.

Заключение

В диссертации рассмотрены актуальные проблемы совершенствования деталей рельсовых скреплений и противоугонов на основе анализа их напряженно-деформированного состояния, определяемого с помощью современных расчетных схем метода конечных элементов.

По составленной автором программе произведены многовариантные расчеты противоугонов различных продольных и поперечных конфигураций. Предложена усовершенствованная конструкция облегченного противоугона квадратного поперечного сечения, произведены ее расчеты, выпуск и экспериментальные исследования лабораторной и опытно-промышленной партий. Исследования позволили сделать вывод о том, что при экономии материала на 18% этот противоугон является более упругим, имеет удерживающее усилие не менее, чем серийно выпускавшиеся, препятствует значительной перебивке и лучше сохраняет удерживающее усилие при постановке и перестановках. К настоящему времени эффективность этой конструкции при условии соблюдения Технических требований на изготовление подтверждена результатами независимых наблюдений в пути и она включена в качестве типовой в новейшие Технические условия.

С целью существенного улучшения надежности и долговечности работы противоугонов был разработан и испытан макетный образец устройства для ручной "мягкой" установки противоугонов'на рельс.

Показано, что существующие допуски на изготовление противоугонов и рельсов велики и требуется их согласование и существенное ужесточение.

Выполнены многовариантные расчеты конструкций противоугонов из профильного проката. П-образного и Т-образного поперечных сечений, из анализа которых следует, что при меньшей массе, чем противоугоны прямоугольного сечения, они имеют удерживающее усилие в 1.5...2.0 раза больше. Рекомендуется освоение выпуска . этих конструкций с целью применения на сложных, с точки зрения угона, участках пути.

По разработанной автором программе были проведены расчеты костыльных подкладок как пластинок на упругом винклеровском основании под действием вертикальной и боковой нагрузок и изгибающего момента с учетом трения по подошве подкладки и податливости костылей. Исследовано напряженно-деформированное состояние подкладок и их давлений на шпалу при изменении длины, ширины, толщины, введении шестого костыльного отверстия, различной подуклонке.

Максимальные напряжения в подкладке ДН6-65 для кривых с размерами 380x185 мм, имеющей 6 отверстий под костыли, на 3% меньше, чем в стандартной подкладке д-65 с размерами 360x170 мм , а максимальные давления меньше на 25%, причем они распределяются по площади подкладки более равномерно. При размерах подкладки в плане 400x185 мм максимальные напряжения в ней больше, чем з подкладке Д-65, на 9%, а давления на шпалу меньше на 38%.

1 Показано, что введение 6-го костыльного отверстия приводит к увеличению напряжений в зоне его пробивки, но не оказывает существенного влияния на их максимальную величину, при этом максимальное горизонтальное смещение подкладки уменьшается в 1.2 раза. Изменение подуклонки с 1:20 до 1:15 в кривых практически не изменяет НДС подкладки и ее давлений на шпалу. Если сделать края костыльных отверстий, крепящие рельс, вровень с ребордой, то в прямых участках пути максимальные напряжения уменьшаются в 1.3 раза, что должно привести к увеличению срока службы подкладок.

Проведены многовариантные расчеты на прочность подкладок скрепления БПУ при различных толщинах ее краев и середины и различной упругости нашпальных прокладок. В качестве расчетной модели использовалась тонкая пластинка на упругом винклеровском основании под действием нагрузки от подвижного состава и закладных болтов с учетом их ослабления. Определены размеры подкладки, обеспечивающие ее достаточную усталостную прочность.

Исследовано влияние неравножестких нашпальных прокладок на прочность подкладок и величину давлений, передающихся на прокладку. Показано, что применение неравножестких прокладок с жесткостью в середине большей, чем по краям, значительно повышает усталостную прочность подкладки, однако приводит к повышению максимальных удельных давлений на прокладки, в связи с чем , если жесткость краев прокладки соответствует коэффициенту постели 15 Мпа/см, который имеют прокладки повышенной упругости, то нецелесообразно превышение жесткости средней части прокладки

над жесткостью ее краев больше, чем в 2.0...2.5 раза.

Прочность и жесткость двух видов клемм нового безболтового скрепления для высокоскоростных магистралей исследовалась в пространственной постановке с помощью современного вычислительного конечно-элементного комплекса ANSYS. При этом конструкции аппроксимировались 20-узловыми пространственными конечными элементами с тремя степенями свободы в каждом узле. Были проведены многовариантные расчеты несимметричных клемм, представляющих собой пружины прямоугольного поперечного сечения, один из концов которой контактирует с анкером, а второй опирается на подошву рельса, и симметричных клемм из кругхГого прутка, предложенных автором диссертации. Сравнительный анализ результатов показал, что большей упругости удалось достичь для несимметричных клемм, однако более перспективными, с точки зреиьш технологии изготовления и монтажа в рабочее положение, являются симметричные клеммы.

Были изготовлены 26 симметричных клемм различных вариантов и проведены экспериментальные исследования некоторых из них. Разработано и изготовлено устройство для приведения в рабочее положение симметричных клемм. Изготовлен также в натуральную величину макетный образец всего скрепления в сборе.

Таким образом, в настоящей диссертации впервые систематически использован современный компьютерный метод конечных элементов для расчетов деталей промежуточных рельсовых скреплений и противоугонов и их совершенствование на основе анализа результатов этих расчетов.

Полученные материалы показывают эффективность применения современных расчетных методов и дают основание для их широкого применения для совершенствовании существующих и при разработке новых видов промежуточных рельсовых скреплений.

Основное содержание диссертации опубликовано

в следующих работах:

1. Антонов Н.И., Карпущенко Н.И. Расчет пружинных противоугонов методом конечных элементов // Механика деформируемого тела и расчет транспортных сооружений: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск, 1986. С. 48-57.

2. Антонов Н.И. Применение метода конечных элементов к расчету деталей рельсовых скреплений и противоугонов II Тезисы докл. научно-технической конференции " Вопросы ускорения научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте *. Новосибирск, 1986. С.53.

3. Карпущенко H.H., Антонов Н.И., Горох H.A. О совершенствовании конструкций пружинных противоугонов II Повышение эффективности работы пути с бесстыковыми плетями и длинными рельсами в условиях Сибири и Казахстана: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск, 1987. С, 45-52.

4. Карпущенко Н.И., Антонов Н.И., Горох H.A., Ригмант Б.М. Пути совершенствования конструкций пружинных противоугонов II Тезисы докл. научно-технической конференции " Повышение надежности и эффективности работы железнодорожного транспорта *. Новосибирск, 1987. С. 99-100.

5. Карпущенко Н.И., Горох H.A., Антонов Н.И. Меры по предотвращению угона пути на участках обращения тяжеловесных и длинно-составных поездов II Повышение прочности и надежности пути: Сб. науч. тр. / Всесоюзн. НИИ железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ). М„ 1989. С.65-72.

6. Кривощапов В.В., Антонов Н.И., Сахабутдинов P.P., Мокринский

B.И., Обломец В.П. Совершенствование конструкции и технологии изготовления пружинных противоугонов II Сталь, 1991. № З.С.62-64.

7. Антонов Н.И. Расчет путевых подкладок методом конечных элементов II Повышение эффективности работы железнодорожного пути в условиях Сибири и Казахстана: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск, 1983. С. 25-30.

8. Антонов Н.И. Расчет костыльных подкладок на вертикальную и боковую нагрузки // Механика деформируемого тела и расчет транспортных сооружений: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск, 1986.

C. 44-48.

9. Антонов Н.И., Расчеты костыльных подкладок для кривых участков пути // Строительная механика железнодорожных конструкций: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск, 1990. С. 26-31.

10. Антонов Н.И., Карпущенко Н.И. Расчеты подкладок скрепления БПУ при различных конструктивных изменениях II Напряжения и деформацЛ в железнодорожных конструкциях: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск, 1988. С. 11-18.

11. Антонов Н.И. Напряженное состояние подкладки скрепления БПУ при неравножестких нашпальных прокладках II Обеспечение надежности и эффективности бесстыкового пути в сложных условиях эксплуатации: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск, 1991. С. 86-90.

12. Антонов Н.И. Расчет узла раздельного рельсового скрепления для деревянных шпал // Повышение надежности и эффективности работы железнодорожного пути на грузонапряженных участках: Сб. науч. тр. / Новосиб. ин-т инженеров ж.-д. трансп. Новосибирск, 1985. С. 59-65.

13. Антонов Н.И. Расчет деталей рельсовых скреплений методом конечных элементов // Тезисы докл. научно-технической конференции " Транссиб и научно-технический прогресс на железнодорожном транспортеНовосибирск. 1991. Ч. 3. С. 32.

14. Антонов Н.И. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния упругих клемм рельсового скрепления II Экспериментальные и расчетные методы строительной механики: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск, 1997. С. 18-25.