CC BY
17
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. № 12
УДК 625. 874
Парунакян В.Э.1, Адаманов О.Ф.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ АМОРТИЗАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УЗЛА ПРИКРЕПЛЕНИЯ СТРЕЛОЧНОГО ПЕРЕВОДА К ЖЕЛЕЗОБЕТОННОМУ ОСНОВАНИЮ
С целью определения прочностных параметров амортизационной прокладки построена математическая модель взаимодействия элементов узла прикрепления стрелочного перевода к плитному основанию. На основе проведенных на модели исследований получены зависимости, позволяющие производить выбор упругих прокладок по их прочностным показателям для конкретных условий эксплуатации стрелочных переводов.
Одной из важнейших задач обеспечения стабильной и надежной работы стрелочных переводов железных дорог предприятий является переход на прочное и долговечное подрельсо-вое основание из железобетона.
Кафедрой "Промышленный транспорт" ПГТУ совместно с металлургическим комбинатом "Азовсталь" было создано железобетонное плитное основание для стрелочного перевода Р65 М1/7 рассчитанное на высокие осевые нагрузки [ 1 ] .
Первый опытный стрелочный перевод на железобетонном основании был уложен на технологическом пути, по которому осуществляются перевозки расплавленного чугуна в чугуновозах емкостью 140 тонн с осевой нагрузкой до 526 кН и грузонапряженностью 5 млн. тонн в год, и принят в опытную эксплуатацию.
Результаты комплексных исследований, включающих акустические и тензометрические испытания, подтвердили работоспособность конструкции , ее соответствие производственным требованиям и условиям эксплуатации. Было установлено следующее:
- расчетная схема и нагрузка приняты обоснованно;
- размеры плит, их конструкция и прочностные параметры обеспечивают достаточную жесткость и упругость основания;
- размеры и схема размещения элементов прикрепления обеспечивают равномерное распределение нагрузки от подвижного состава на плитное основание.
В процессе эксплуатации опытного перевода проводились наблюдения и контрольные замеры, которые позволяли определить характер и степень нарастания износа и неисправностей элементов и расстройств геометрических параметров и оценивать состояние перевода в целом.
Результаты эксплуатационных наблюдений показали, что в первый период работы (до пропуска 1,0 - 1,2 млн. тонн груза брутто) стрелочный перевод работал в проектном режиме, и все его геометрические параметры находились в пределах норм содержания.
Однако после пропуска 1,3 млн. тонн были установлены отдельные отклонения от проектного режима работы. Наиболее существенным оказалось интенсивное увеличение ширины колеи в середине переводной кривой , которая достигла своего предельного значения (1555мм.).
Обследование узла прикрепления перевода к плите показало, что типовые резиновые прокладки под промежуточными пластинами имели значительные механические повреждения и функций амортизирующих элементов не выполняли.
Поскольку упругое прижатие промежуточных пластин с прикрепителями к железобетонной плите значительно уменьшилось, под действием сил угона их начало разворачивать в горизонтальной плоскости. Причем, после среза углов резиновой прокладки, промежуточная пла-
1 ПГТУ, канд. техн. наук, профессор
2 ПГТУ, аспирант.
стина начала разрушать вертикальную поверхность углубления железобетонной плиты, что в совокупности приводило к увеличению ширины колеи.
Проведенные обследования позволили установить, что эксплуатационная надежность узла прикрепления перевода, особенно на переводной кривой, определяется главным образом прочностными параметрами и упругими свойствами амортизирующей прокладки установленной между промежуточной металлической пластиной и железобетонной плитой.
Типовая резиновая прокладка, используемая для этой цели на железобетонных шпалах и брусьях, по своим параметрам для применения на плитах оказалась непригодной.
Таким образом, создание специального амортизирующего элемента для узла прикрепления стало одним из основных вопросов обеспечения надежной работы стрелочного перевода на железобетонном плитном основании.
Стрелочный перевод на железобетонном плитном основании является относительно новой конструкцией. Его взаимодействие с подвижным составом, особенно на промышленном транспорте, исследовано пока недостаточно. В этой связи стало необходимым проведение специального исследования взаимодействия элементов узла прикрепления стрелочного перевода к плитному основанию с целью определения прочностных параметров амортизирующих прокладок, отвечающих условиям их эксплуатации.
В качестве теоретической предпосылки принята к расчету физико-механическая модель, представленная на рисунке 1. Ее расчетная схема показана на рисунке 2.
Алгоритм решения задачи содержит:
1) определение амплитудных значений линейных и угловых деформаций в поперечном сечении рельса в середине переводной кривой стрелочного перевода;
2) определение реакций в системе связей рельса с основанием;
3) расчет упругих элементов рельсового скрепления
на сжатие на сдвиг.
Для исследования малых вынужденных колебаний консервативной системы и упругих прогибов рельса на упругом основании используем дифференциальные уравнения Лагранжа II рода. Приняв для рассматриваемой системы (рис.1) за обобщенные координаты вертикальные отклонения рельса у, горизонтальные х, и угол поворота ([) от положения покоя, а также задавшись исходными данными геометрии рельса {Е ,ег,еу,Ъ,Ъ'к,Ь"к и т.д.) и его динамическими характеристиками (Е1,1г,1п,()2,() и т.д.), получим:
'А. (дТ ) Л \<3у / II
с1 (дт\_ Л V дг ) II ? (1)
Л \дф / дТ _ дф -Ш1 + 0 д(р ^ ^¿<р
где0у,02,0,р - обобщенные возмущающие силы, соответствующие обобщенным координатам; ТиП- соответственно кинетическая и потенциальная энергия системы.
Пространственно-поперечные колебания рельса без учета продольных сил определяются из решения системы дифференциальных уравнений:
'Е1-у1У +ту" + иу=(2у (а)
<Е1у-21У+т12' + и1=<21 (б) (2)
Мк' + и, Ф = бф (в)
Наибольший практический интерес в решаемой задаче имеют уравнения(2- б, в), частное решение которых:
2= е~кх(соъкх + ъткх), (3)
2 • и2
где к - коэффициент относительной жесткости подрельсового основания.
^777777777777^7777777^7^777777777^7777777777777
Рис. 2 - Расчетная схема
<Р
Мп
Л Аз
где М0 - момент, вызывающий кручение рельса;
Ьк - расстояние между центрами тяжести головки и подошвы рельса.
■Е
(4)
(5)
(6)
где 1г,1п— моменты инерции сечений головки и подошвы рельса.
В результате проведенных расчетов были построены эпюры линейных и угловых деформаций и получены амплитудные значения прогибов Ъ и углов поворота (р в поперечной плоскости рельса.
Если основание принять идеально упругим и безинерционным, то реакции в системе связей рельса с основанием определяются линейной зависимостью
где Д - реакция упругого основания в направлении ¿-ой степени свободы; qi - обобщенная координата; ж - коэффициент жесткости.
Вертикальная реакция : Щк = жвск ■ у
Горизонтальная реакция Кгк ■ ь-(р</-а
Реакция шурупного прикрепителя: Я^. = жш ■ у + жш ■ Иш ■ (р > О Крутящий момент в рельсовом скреплении мск '■
•<Р
Мск - \ жвск ■ Ип ■ <р - ж*к Жесткость узла скрепления определяется зависимостью:
1 1 1
-=-+-,
и/' ¡1/' ¡1/'
^СК "УПуПР\ ПР2
где жПР1 - жесткость подрельсовых прокладок; жПР2- жесткость наплитных подкладок.
Приведенная жесткость подкладки в соответствии с [2] определяется выражением:
Жу ргр С1С ^ ^ * * 5
где п - количество прикрепителей, стягивающих прокладку;
¡л - доля осевого усилия в прикрепителе, приходящаяся на прокладку. Для прокладки
КБ -10 [Л =1, для подрельсовой ц. = 0,5 [2]
жш - жесткость шайбы, одетой на шуруп и клемный болт.
Обозначим: а =
тогда
ЖПР\,2 ~ Жск(\ + 2/Ц.2 'а)
Приняв: 1 + 2д22 - а = т1
2 >
получаем коэффициент приведенной жесткости подрельсовой и наплитной прокладки:
\щ = 1 + 0.5 ах
\т2 = 1 + 2 а2
(8) (9) (10)
(П)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
Графики т = /(ос), приведенные на рис. 3, показывают, что интенсивность возрастания т в зависимости от ос для плитных прокладок в рассматриваемом скреплении в 4 раза больше, чем для подрельсовых. Уменьшение просадки подкладки вместе с промежуточной пластиной в п раз под поездной нагрузкой равносильно увеличению жесткости наплитной прокладки во столько же раз. Учесть это можно уменьшением коэффициента ОС в п раз. Из изложенного выше следует, что упругость амортизационной прокладки на плите недостаточна по сравнению с подрельсовой прокладкой, этот вывод подтвердился и эксплуатационными наблюдениями.
т2 = Да2)
Щ = /(<*;)
0.2 0.4 0.6
Рис. 3 - График зависимости т = /(ос)
Жесткость скрепления жск с учетом приведенной жесткости наплитной жпр2 и под-
рельсовой ж х прокладок составляет:
т\ ' Жпр1 + т2 ' Жпр2
Если задаться жесткостью иодрельсовой подкладки (она принимается типовой в рассматриваемом скреплении), то жесткость наплитной прокладки должна составлять:
ш, жск ' жт,
ЖПР2= —--(19)
т2 т1 ■ жпр1 жпр Жесткость резиновых прокладок при сжатии:
АА к
где Опр - нагрузка на прокладку; к - толщина подкладки;
А/г - абсолютная деформация сжатия;
Л'п - площадь прокладки до деформации;
Ер - расчетный модуль упругости [2].
Если жесткость прокладки жпр определена исходя из потребности обеспечения рациональной жесткости скрепления, то используя зависимости (18) и (19), определим толщину наплитной прокладки, предварительно задавшись жесткостью подрельсовой:
, _ $опр2 " Ер2 " т2 {т\ " Жпр\ ~ ЖСК ) п , ч
Ппр ~ У*"*-)
И1 . 1//*' . }//"
1 ЖСК Жпр\
В целях предотвращения преждевременного выхода резиновой прокладки из строя необходимо выполнение следующего условия:
а
асж ' „
опр
<[<УСЖ] (22)
Жесткость резиновых прокладок при работе на сдвиг:
<=ЯГ = ^ (23)
2п Кр
где Оп - сдвигающая нагрузка;
О - модуль сдвига резины;
Zи- линейная деформация подошвы рельса (рис. 1).
(24)
Кроме того, необходимо, чтобы напряжения на отогнутой части наплитной прокладки не превышали допустимого значения [сгсж ]:
Осж = (^Фсж\ (25)
Расчет колебаний рельса относительно основания под воздействием чугуновоза выполнен по приведенной выше методике. По результатам расчета были определены параметры амортизационной прокладки:
- жесткость при сжатии жвпр по формуле (20);
- жесткость при сдвиге жг по формуле (23).
На основе математической модели определены упругие деформации Z, ([) и силы взаимодействия между рельсом и основанием (9; 10; 11).
Совпадение расчетных и экспериментальных значений (табл. 1) указывает на приемлемость разработанного алгоритма и методики расчета.
Таблица - Амплитудные значения линейных и угловых перемещений рельса относительно основания и сил взаимодействия между ними.
Способ получения величины Характеристика амортизационной прокладки Линейные и угловые деформации Силы взаимодействия, кН
Z, см. У, см. Ф, рад. К К:
Эксперимен тальный Типовая резиновая прокладка КБ-10 толщиной 10 мм. 0,35 0,18 — 130 150
Расчетный 0,31 0,15 0,00481 124 138
Опытная резино-кордовая, толщиной 14 мм. 0.27 0.11 0.00351 97 108
По предложенной методике с учетом рекомендации [3] была решена задача выбора материала для повышения прочности амортизатора. По расчетным данным (табл. 1) можно сделать вывод, что амортизационная прокладка из низкомодульного армированного материала - рези-но-корда толщиной 14 мм позволяет уменьшить прогибы, а, следовательно, и напряжения в рельсах. Снижаются на 22 % и силы взаимодействия между рельсом и основанием, разрушающие амортизатор.
Опытные стрелочные переводы № 2 и № 3 смонтированы на амортизационной прокладке, параметры которой были установлены в результате моделирования.
Результаты эксплуатационных наблюдений показали, что после пропуска по стрелочным переводам до 3 млн. тонн брутто грузов эксплуатационная надежность узла скрепления обеспечивает стабильность состояния ширины колеи в пределах ее проектного значения (рис. 4).
Б, мм. 1555
50
45 40
35 30
25 1520
предельное значение ширины колеи
0,5
СП № 1
проскп ное значе ше ширш м колеи
1
Устранение уширения колеи
СП №2
СП № 3
1,0 1,5
2,0
2,5
0 м]й.'
Рис. 4 - Зависимость изменения ширины колеи в переводной кривой от пропущенного тоннажа
Полученные данные подтверждают, что разработанная математическая модель адекватно отражает взаимодействие элементов узла прикрепления стрелочного перевода к плитному основанию. Это позволяет использовать ее и для решения других задач по совершенствованию конструкции узла прикрепления.
Выводы
1. Разработана математическая модель взаимодействия элементов узла прикрепления стрелочного перевода к плитному основанию, учитывающая характеристику амортизирующего элемента.
2. По результатам моделирования определены прочностные параметры амортизирующего элемента, соответствующие требованиям механической прочности узла прикрепления.
3. Адекватность модели реальным условиям подтверждена сравнительным анализом расчетных и экспериментальных данных по прочностным параметрам амортизирующих элементов.
Перечень ссылок
1. Суслов Л.М., Чумак А.П., Парунакян В. Э. и др. Железобетонное плитное основание для стрелочных переводов на промышленных предприятиях. //Зал1зничний транспорт Украши. - 2001. -№ 3-С. 44-47.
2. Шахунянц Г. М. Железнодорожный путь. - М.: Транспорт, 1987. - С. 154-155.
3. Артюх Г. В. Энергоемкость полиуретановых амортизаторов. // Защита металлургических машин от поломок: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / ПГТУ. - Мариуполь, 1999. - Вып. 4 -С.166-172.
Парунакян Владимир Эмильевич. Канд. техн. наук, профессор, окончил Харьковский горный институт в 1952 году. Основные направления научных исследований - совершенствование системы и снижение затрат на эксплуатацию и ремонт технических средств промышленного железнодорожного транспорта.
Адаманов Олег Федорович. Аспирант кафедры промышленного транспорта, окончил Приазовский государственный технический университет в 1996 году. Основные направления научных исследований - исследование работы стрелочных переводов на железобетонном плитном основании.
Статья поступила 15. 03.2002
