Прогнозирование циклической долговечности железнодорожных шпал из древесно-стекловолокнистого композиционного материала Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 624.012

Б.А. БОНДАРЕВ1, д-р техн. наук, А.Б. БОНДАРЕВ2, канд. техн. наук, Р.Ю. САПРЫКИН1, инженер, Ф.Н. КОРВЯКОВ1, инженер, В.И. ХАРЧЕВНИКОВ3, д-р техн. наук

1 Липецкий государственный технический университет (398600, г. Липецк, ул. Московская, 30)

2 ООО «ЛипецкНИЦстройпроект» (398002, г. Липецк, ул. Балмочных, 15)

3 Воронежская государственная лесотехническая академия (394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8.)

Прогнозирование циклической долговечности железнодорожных шпал из древесно-стекловолокнистого композиционного материала

Приведены наиболее характерные дефекты и повреждения деревянных и железобетонных шпал. Разработан комплексный подход к решению проблемы надежности и работоспособности элементов конструкций железнодорожных шпал, включающий анализ состояния материала железнодорожных шпал; определение параметров, расположения и размеров дефектов в материале конструкций. Предложены методы устранения причин возможных дефектов в конструкции шпалы из древесно-стекловолокнистого композиционного материала. На основе экспериментальных исследований получены значения коэффициентов условий работы исследуемых полимерных композиционных материалов при различных коэффициентах асимметрии циклов приложения нагрузок.

Ключевые слова: долговечность, древесно-стекловолокнистый композиционный материал, полимерные композиционные материалы.

B.A. BONDAREV1, Doctor of Sciences (Engineering), A.B. BONDAREV2, Candidate of Sciences (Engineering), R.Yu. SAPRYKIN1, Engineer, F.N. KORVYAKOV1, Engineer, V.I. KHARCHEVNIKOV3, Doctor of Sciences (Engineering)

1 Lipetsk State Technical University (30, Moskovskaya Street, 398600, Lipetsk, Russian Federation)

2 OOO "LipetskNITSstroyproekt" (15, Balmochnykh Street, 398002, Lipetsk, Russian Federation)

3 Voronezh State Forestry Engineering Academy (8, Timiryazeva Street, 394087, Voronezh, Russian Federation)

Forecasting the Cyclic Durability of Railway Sleepers Made of Timber-Glass-Fibre Composite Material

The most typical defects and damages of wooden and reinforced concrete sleepers are presented. The complex approach to the solution of the problem of reliability and workability of elements of railway sleeper designs has been developed. This approach includes the analysis of conditions of railway sleeper materials, determination of parameters, location and sizes of defects in the materials of the design has been developed. Methods for elimination of reasons for possible defects in the design of a railway sleeper made of timber-glass-fibre composite material are proposed. On the basis of experimental studies the values of coefficients of operational conditions of studied polymeric composite materials at different coefficients of asymmetry of cycles of load application have been obtained.

Keywords: durability, timber-glass-fibre composite material, polymeric composite materials.

Результаты технических обследований элементов конструкций верхних строений пути железных дорог показывают, что наиболее характерными дефектами и повреждениями деревянных и железобетонных шпал являются дефекты, приведенные в табл. 1.

Комплексный подход к решению проблемы надежности и работоспособности элементов конструкций железнодорожных шпал включает в себя следующие положения:

— анализ состояния материала железнодорожных шпал;

— определение параметров, расположения и размеров дефектов в материале конструкций.

На рис. 1 приведен алгоритм определения параметров безопасной эксплуатации исследуемых конструкций с разделением на несколько этапов.

На первом этапе выявляются опасные производственные факторы, оказывающие влияние на материал конструкций, а также устанавливаются недостатки традиционных конструкций деревянных и железобетонных шпал.

Деревянные шпалы из высокосортного леса в возрасте 80—100 лет фактически потеряли сырьевую базу в России из-за варварского уничтожения. Использование железобетонных шпал в конструкциях верхнего строения пути железных дорог хотя и решает в какой-то мере проблему дефицита первых, но ведет к большим экономическим потерям, которые складываются из физико-технических и механических недостатков железобетона — большой массы, хрупкости, ограниченной коррозийной стойкости и, главное, жесткости, приводящей к

разрушению ходовой части подвижного состава, появлению профессиональных заболеваний.

Кроме того, для железобетонных шпал, работающих в условиях блуждающих токов, существует опасность электрокоррозии. Поэтому наряду с непрерывными

Параметры безопасной эксплуатации строительных конструкций циклическая долговечность

1-й этап

Опасные факторы, оказывающие влияние на материал строительной конструкции

2-й этап 1

Оценка фактического состояния материала эксплуатируемой конструкции

3-й этап | 4-й этап

Разработка мероприятий по восстановлению и защите строительных конструкций Разработка мероприятий по восстановлению и защите строительных конструкций

5-й этап]

Нормируемый параметр безопасной эксплуатации строительной конструкции

6-й этап

Остаточный срок службы строительной конструкции в данных эксплуатационных условиях

Рис. 1. Основные принципы обеспечения безопасности эксплуатируемых элементов конструкций транспортных сооружений

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 78 июль 2014 Ы ®

Таблица 2

Таблица 1

№ п/п Дефекты и повреждения железнодорожных шпал Причина

Железобетонные шпалы

1 Поперечные трещины в подрельсовой части шпалы, в том числе проходящие через отверстия для закладных болтов или через деревянные дюбели, а также поперечный излом шпалы в подрельсовой части с разрушением бетона в сжатой зоне с разрывом арматуры Повышенные ударно-динамические воздействия подвижного состава, недонапряжение арматуры, смещение ее вверх, низкая прочность бетона

2 Поперечные трещины в средней части шпалы и ее излом по этим трещинам с разрушением бетона в сжатой зоне, а также в местах возможной концентрации напряжений с изломом в растянутой зоне Неправильное опирание шпалы на балласт: - опирание серединой при отрясенных концах; - совершенно свободная от опирания на балласт середина шпалы на большой длине; - наличие мест с резким изменением размеров поперечного сечения

3 Разрушение бетона на отдельные составляющие под действием атмосферных факторов; продольные трещины с торца или в середине шпалы, идущие в плоскости рядов проволок арматуры Плохое качество бетона, брак при предварительном напряжении арматуры, нарушение технологии бетонирования и тепловлажностной обработки бетона

4 Износ и повреждение закладных деталей: для дюбелей это износ и смятие древесины вокруг отверстия для шурупа, ослабление заделки дюбеля в бетоне из-за усыхания или растрескивания; для закладных шайб - износ и коррозия, скол рабочей кромки бетона, удерживающей закладной болт от повреждения Воздействие вертикальных и боковых динамических нагрузок, атмосферных факторов, электрического тока и др.

Деревянные шпалы и брусья

5 Гниение пропитанных шпал и брусьев в верхней их трети, которая обнаруживается после 5-6 лет службы в пути Повреждение пропитанной поверхности шпал и брусьев в результате появления трещин усушки

6 Гниение шпал и брусьев в нижней постели Появление трещин из-за превышения предела прочности при изгибе в местах зачистки заусенцев, неправильной подбивки балласта

7 Гниение шпал и брусьев при вдавливании прокладок в их тело (отлупные трещины, смятие и истирание) Плохая прочность древесины на смятие и истирание (износ)

8 Разрушение шпал и брусьев в растянутых зонах подрельсовой или средней частях шпал и брусьев Укладка неодинаковых по толщине шпал и брусьев приводит к перегрузке более толстых шпал и брусьев, в дальнейшем к их преждевременному износу

№ Компоненты ДСВКМ Состав Содержание компонентов, кг

п/п м. ч. % по массе в изделии в 1 м3

1 Фурфурол-ацетоновый мономер (ФАМ) 6,5 20,97 31,5 254

2 Бензосульфокислота (БСК) 1,5 4,84 7 56

3 Замедлитель реакции кристаллизации (ЗРК) 0,2 0,65 1 8

4 Песок(П) 12,5 40,32 60,5 488

5 Андезитовая мука (АМ) 3,8 12,26 18,5 149

6 Графитовая электродная мука (ГЭ) 0,9 2,9 4 32

7 Хлорид свинца (ХС) 1 3,23 5 40

8 Стекловолокно (СВ) 0,1 0,32 0,5 4

9 Щепа (Щ) 4,5 14,52 22 177

Итого 31 100 150 1208

изысканиями способов повышения срока службы деревянных шпал ведутся исследования по созданию новых более долговечных и экономичных материалов, способных заменить древесину и железобетон. Оценка фактического состояния материала железобетонных шпал производится на основе диагностического обследования элементов конструкций верхнего строения пути железной дороги. На четвертом этапе исследований производится разработка мероприятий по восстановлению и защите конструкций или их замене на более современные материалы.

Одним из таких материалов является древесноволокнистый композиционный материал (ДСВКМ),

получаемый на основе отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности. Так, только в Липецкой области ежегодное количество отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности составляет более 65 тыс. м3. Они могут использоваться как в качестве армирующего заполнителя ДСВКМ, так и для производства фурфурола, получаемого методом каталитического пиролиза древесины. Поликонденсация фурфурола с ацетоном позволяет получить фурановую смолу ФАМ, которая является вяжущим веществом химически стойких конструкционных и футеровочных материалов — полимербетонов (ПБ), растворов и мастик (Харчевников В.И. Композиционный материал на основе отхо-

Ы ®

научно-технический и производственный журнал

июль 2014

79

Таблица 3

№ п/п Метод устранения причин возможных дефектов в конструкции шпалы из ДСВКМ (см. табл. 1)

1 Ударно-динамическое воздействие подвижного состава уменьшается в шпале из ДСВКМ, так как модуль упругости материала в 2,5 раза ниже, чем у железобетона, стальная арматура отсутствует. При использовании узла крепления АРС в шпалу замоноличивается сам узел, нет отверстий для болтов, дюбели не нужны, ширина шпалы в подрельсовом сечении больше, чем у железобетонной; растянутая и сжатая зоны армированы стекловолокном, что повышает трещиностойкость

2 Уширение концов шпалы из ДСВКМ обеспечивает отсутствие прогибов концевых сечений, что уменьшает опасность выдавливания балласта под ними. В новом варианте шпалы из ДСВКМ убран резкий переход от подрельсовой ее части к средней

3 Стальная арматура отсутствует, произвольная укладка армирующего заполнителя - щепы, ориентированной по продольной оси шпалы, затрудняет образование трещин, параллельных нейтральному слою или в самом слое; динамические воздействия уменьшены

4 Применение узла крепления АРС снимает практически все причины возможного возникновения дефектов. ДСВКМ неэлектропроводен, коррозионно-стоек

5 ДСВКМ не гниет, так как имеет малое водопоглощение из-за введения в его состав графита. Смола ФАМ пропитывает древесную щепу в процессе отливки шпалы, дополнительно защищая от диффузионно-проникающей влаги

6 То же, что и в п. 5. Для шпалы из ДСВКМ подбивка балласта с ударами по ней также нежелательна, так как материал хрупок

7 Прочность на смятие и сжатие ДСВКМ на порядок выше прочности древесины

8 Поскольку были замечены подобные же трещины при смешанной укладке железобетонных шпал и шпал из ДСВКМ, высота которых несколько больше, рекомендуется заполнять плеть только однородными шпалами

Рис. 2. Фрагмент шпалы из древесно-стекловолокнистого материала

Таблица 4

Характеристики бетонов Полимербетоны

ПН-609-21М ФАЭИС-30* ФАМ*

Предел прочности при:

сжатии, МПа 84 87 64

растяжении, МПа 10 12 7

изгибе, МПа 25 30,5 15

Модуль упругости 26300 32100 19200

Коэффициент

выносливости при: Р=0,1 Р=0,3 Р=0,6 0,35 0,39 0,43 0,35 0,39 0,43 0,27 0,30 0,40

* Коэффициенты выносливости определены ускоренным методом.

дов лесного комплекса для железнодорожных шпал. Воронеж: ВГЛТА, 2000. 292 с.). Результаты исследований (Харчевников В.И., Бондарев Б.А. Композиционные материалы для шпал лесовозных и общего пользования железных дорог. Липецк: Изд. ООО НЛМК, 1996. 256 с.), а также опыт авторов по практической отливке шпалы новой формы позволили установить основные соотношения [1, 2] между его компонентами при содержании щепы в объеме 50% от веса шпалы массой 150 кг, выявленные ранее. На рис. 2 приведен фрагмент шпалы из ДСВКМ. В табл. 2 приведен расчет модифицированного состава ДСВКМ на одну шпалу и 1 м3.

Действительно, в фактическом объеме шпалы, равном 0,124 м3, объемное содержание щепы составляет 0,062 м3, т. е. 50%. В 1 м3 ДСВКМ содержится 177 кг щепы, или 17,2% от массы стекловолокнисто-полимербетонной матрицы, равной 1031 кг (рекомендовалось 18%).

Основные достоинства шпал из ДСВКМ приведены в табл. 3, там же указаны методы устранения причин возникновения возможных дефектов.

На четвертом этапе исследований оценивается циклическая долговечность ДСВКМ в конструкциях шпал по методикам, разработанным ранее (кривым виброползучести, методу Н.С. Карпухина, ускоренным методом) [3]. Результаты усталостных испытаний полимерных композиционных материалов (ПКМ) показали, что полученные показатели циклической долговечно-

сти позволяют применять их в элементах конструкций, воспринимающих многократно приложенные нагрузки. В [4, 5] рассмотрены вопросы сопротивляемости циклическому нагружению исследуемых ПКМ на основе полиэфирных фурановых смол на основе композиций ФАЭИС-30. Причем усталостные испытания были проведены традиционным (полимербетон ПН-609-21М) и ускоренным методом (полимербетон ФАМ и ФАЭИС). Результаты испытаний указанных выше ПКМ приведены в табл. 4.

Для элементов из ПКМ условия прочности при действии многократно приложенной нагрузки:

тах

^Тд,

(1)

тах п

где ов — максимальное напряжение цикла; кв — кратковременное сопротивление полимербетона сжатию; Тв1 — коэффициент условия работы:

Ув,>

шах

Од

R« •

(2)

Для однозначности выбора параметра Jbi естественно положить, что:

шах

У в = °в

YBl RB •

(3)

При испытаниях ПКМ кратковременной нагрузкой получены средние значения временного сопротивления ПКМ сжатию: полимербетон ФАЭИС-30 — 87 МПа; по-

научно-технический и производственный журнал

80 июль 2014

ÏÀ ®

Таблица 5

Вид ПКМ Коэффициент условий работы ПКМ (Уд) при Р„= <*Jnin а °max

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

ПН-609-21М 0,43 0,46 0,49 0,51 0,53 0,55 0,57 0,59 0,61 0,63

ФАМ 0,4 0,42 0,44 0,46 0,48 0,5 0,52 0,54 0,56 0,59

ФАЭИС-30 0,36 0,38 0,4 0,42 0,44 0,46 0,48 0,5 0,52 0,55

Таблица 6

Нормативные и расчетные сопротивления усталости полимербетона ПН-609-21М Коэффициент асимметрии цикла рв= а иmax

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

RUub МПа 30,5 32,6 34,7 36,2 37,6 39 40,4 41,8 43,3 44,7

RL,b МПа 22,3 23,9 25,4 26,5 27,5 28,6 29,6 30,1 31,7 32,7

Таблица 7

Нормативные и расчетные сопротивления усталости полимербетона ФАМ Коэффициент асимметрии цикла рв= а итах

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

RLu„ МПа 25,6 26,9 28,2 29,4 30,7 32 33,3 34,6 35,8 37,8

RLh, МПа 18,7 19,6 20,6 21,5 22,4 23,4 24,3 25,3 26,1 27,6

Таблица 8

Нормативные и расчетные сопротивления усталости полимербетона ФАЭИС-30 Коэффициент асимметрии цикла Po=^-min а итах

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Rpb.u МПа 31,3 33,1 34,8 36,5 38,3 40 41,8 43,5 45,2 47,9

Rfnu„ МПа 22,8 24,2 25,4 26,6 27,9 29,2 30,5 31,8 32,9 34,9

лимербетон ПН-609-21Н — 84 МПа; полимербетон ФАМ - 64 МПа.

Для получения точной оценки Ув, находим среднее значение выборки:

(4)

где N — число испытанных образцов.

В табл. 5 приведены значения коэффициентов условий работы исследуемых ПКМ.

Процесс постепенного накопления локальных по-

вреждений в материале под действием циклических нагрузок называют выносливостью, а способность сопротивляться этому процессу — усталостью. Различают многоцикловую, малоцикловую, статическую и физическую усталость, в зависимости от силовых режимов действия эксплуатационных нагрузок и их воздействия. Для исследуемых ПКМ получены значения нормативных и расчетных сопротивлений усталости, которые приведены в табл. 6—8.

Расчет остаточного ресурса элементов конструкций транспортных сооружений выполнен в соответствии с [4].

Список литературы

1. Кондращенко В.Н., Харчевников В.И., Стородубце-ва Т.Н., Бондарев Б.А. Древесно-стекловолокнистые шпалы. М.: Спутник, 2009. 302 с.

2. Бондарев Б.А., Харчевников В.И. Выносливость композиционных материалов в конструкциях железнодорожных шпал. Липецк: ЛГТУ, 2002. 220 с.

3. Борков П.В., Комаров П.В., Бондарев А.Б., Бондарев Б.А. Ускоренный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2013. № 3 (31). С. 46—51.

4. Бондарев Б.А., Борков П.В., Комаров П.В., Бондарев А.Б. Экспериментальные исследования циклической долговечности полимерных композиционных материалов // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6. С. 20—25.

5. Бондарев А.Б., Комаров П.В., Лифинцев О.И. Сопротивляемость полимербетонных и стеклопласт-полимербетонных конструкций длительным и циклическим нагрузкам // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2009. № 1(3). С. 92—97.

References

1. Kondrashhenko V.N., Harchevnikov V.I., Storodubce-va T.N., Bondarev B.A. Drevesnosteklovoloknistye shpaly [Wood glass-fiber cross ties]. Moscow: Sputnik. 2009. 302 p.

2. Bondarev B.A., Harchevnikov V.I. Vynoslivost' kompoz-itsionnykh materialov v konstruktsiyakh zheleznodorozh-nykh shpal. [Endurance of composites in designs of railway cross ties]. Lipetsk: LGTU. 2002. 220 p.

3. Borkov P.V., Komarov P.V., Bondarev A.B., Bondarev B.A. The accelerated method of prediction of longevity of polymeric composites. Nauchnyj vestnik VGASU. Stroitel'stvo i arhitektura. 2013. No. 3 (31), pp. 46—51. (In Russian).

4. Bondarev B.A., Borkov P.V., Komarov P.V., Bondarev A.B. The pilot studies of cyclic longevity of polymeric composites. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2012. No. 6, pp. 20-25. (In Russian).

5. Bondarev A.B., Komarov P.V., Lifincev O.I. Resistance of polymer and glass-fiber polymer concrete constructions long and cyclic loads. Nauchnyj vestnik VGASU. Stroitel'stvo i arhitektura. 2009. No. 1 (3), pp. 92-97. (In Russian).

научно-технический и производственный журнал

июль 2014

81