Дослідження напруженого стану в елементах вузла скріплення типу КПП-5 під дією рухомого складу

Настечик М.П.; Бондаренко И.А.; Маркуль Р.В.

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

УДК 625.143.5

М. П. НАСТЕЧИК1, І. О. БОНДАРЕНКО2, Р. В. МАРКУЛЬ3*

*Каф. «Колія та колійне господарство», Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпропетровськ, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 31, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-4178-6092

2Каф. «Колія та колійне господарство», Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпропетровськ, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 31, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-4717-3032

3 Каф. «Колія та колійне господарство», Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпропетровськ, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 31, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-7630-8963

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНОГО СТАНУ В ЕЛЕМЕНТАХ ВУЗЛА СКРІПЛЕННЯ ТИПУ КПП-5 ПІД ДІЄЮ РУХОМОГО СКЛАДУ

Мета. На сьогодні існує тенденція з впровадження швидкісного та високошвидкісного руху поїздів на дорогах Укрзалізниці, що потребує підвищення міцності та стійкості конструкції залізничної колії. Одночасно із цим підвищились та розширились вимоги, пред’явлені до проміжних рейкових скріплень. Саме на колійні роботи з утримання та ремонту вузла скріплення припадає від 10 до 18 % трудових витрат під час експлуатації. Одним із основних видів скріплення, які після довготривалих експлуатаційних спостережень увійшли в постійну експлуатацію (5 тис. км) є проміжне скріплення типу КПП-5. Дані попередніх теоретичних досліджень достовірно не давали чітких науково-обґрунтованих відповідей та результатів роботи всього вузла скріплення. Тому метою досліду є розробка та обґрунтування методики проведення теоретичного дослідження роботи вузла скріплення типу КПП-5 із детальною оцінкою місць появи напруженого стану в його елементах від дії рухомого складу. Методика. В основі обґрунтування методики теоретичного дослідження роботи вузла проміжного рейкового скріплення типу КПП-5 (з детальною оцінкою напруженого стану в його проміжних елементах від дії рухомого складу) лежить теорія методу скінченних елементів (МСЕ). Результати. З допомогою застосування теорії МСЕ було встановлено: одним із головних елементів вузла скріплення, які першими сприймають частку величини бічної сили, що передається від дії рухомого складу, є пружні клеми типу КП-5. Аналізуючи отримані дані, встановлено, що значення напружень у прутках клеми з внутрішньої сторони рейкової нитки на 53,1-56 % більше, ніж значення напружень у зовнішній стороні рейкової нитки. Наукова новизна. Розроблена математична модель роботи залізничної колії із проміжним рейковим скріпленням типу КПП-5 під дією рухомого складу для дослідження напруженого стану в елементах вузла скріплення. Дана математична модель дозволяє врахувати фізико-механічні властивості досліджуваних елементів та геометричні умови закріплення, що представляють собою конструктивні та експлуатаційні характеристики роботи всього вузла скріплення в цілому. Практична значимість. Отримані в даній роботі положення та результати скінченно-елементного моделювання дозволяють відобразити та дослідити найбільш імовірні місця появи напруженого стану в елементах скріплення типу КПП-5, в яких в подальшому можуть виникнути пошкодження та дефекти, що впливатиме на стабільність роботи залізничної колії в цілому.

Ключові слова: проміжне скріплення; пружна клема; підрейкова прокладка; жорсткість; сила притискання; метод кінцевих елементів

doi 10.15802/stp2015/42174

146

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

Вступ

Методика

Більше ніж півтора століття практика експлуатації колії наочно показала, що для всіх видів дерев'яних і залізобетонних підрейкових основ найбільш складним конструктивно і технологічно найважливішим вузлом є проміжні рейкові скріплення. Саме на колійні роботи з утримання і ремонту скріплень припадає значна частина трудових затрат під час експлуатації колії. Із використанням залізобетонних шпал, одночасно підвищилась і жорсткість залізничної колії, тим самим збільшуючи імовірність появи різних дефектів та пошкоджень в рейках, а також і вібраційної взаємодії між елементами верхньої будови колії. Незадовільний вплив вищезазначених факторів певною мірою проявляється опором конструкції колії збільшеному поїзному навантаженню в поперечно-горизонтальній площині. Особливо це спостерігається в кривих малого радіуса, де величина дії бічних сил коливається від 75 до 130 кН [12]. Результатом дії таких сил є поява у певних місцях елементів скріплення значного напружено-деформованого стану, що впливає на стабільність роботи елементів вузла проміжного рейкового скріплення типу та КІII1-5. які на сьогодні є основними по всій мережі Укрзалізниці.

Найбільш достовірні місця напружено-деформованого стану в елементах вузла проміжного рейкового скріплення, в яких в подальшому під час тривалої експлуатації можуть виникнути пошкодження переважно від дії бічних сил, визначались в основному експериментальними методами, що виконувались у 60-70-х роках минулого століття.

Дані досліджень достовірно не давали науково обґрунтованих відповідей та чітких результатів роботи всього вузла проміжного рейкового скріплення під дією сил, що передавались на елементи проміжного рейкового скріплення від рухомого складу.

Мета

Метою є розробка та обґрунтування методики виконання теоретичного дослідження роботи вузла скріплення типу КІ II1-5 з детальною оцінкою місць появи напруженого стану в його елементах під дією рухомого складу.

Основою теоретичного дослідження роботи залізничної колії із проміжним рейковим скріпленням типу КІ II1-5 з детальною оцінкою напруженого стану в його проміжних елементах під дією рухомого складу є методика, що базується на теорії методу скінченних елементів (далі МСЕ).

Розв’язання певної задачі включає декілька етапів, що зображено на рис. 1.

На рис. 2 наведена остаточна схема моделі для дослідження та детальної оцінки роботи всього вузла рейкового скріплення типу КПП-5 з метою отримання достовірних результатів НДС елементів внаслідок зовнішньої дії сил, що передаються від коліс рухомого складу.

Рис. 1. Основні етапи розрахунку МКЕ та послідовність їх виконання

Fig. 1. The main stages of FEM calculation and

Рис. 2. Модель конструкції залізничної колії із скріпленням типу КШ-5

Fig. 2. Model of railway track construction of a fastening type КШ -5

doi 10.15802/stp2015/42174

147

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

Враховуючи велике розсіювання характеристик залізничної колії та екіпажів, точність вимірювання вказаних величин (див. рис. 1) під час виконання експериментів знаходиться з допустимою похибкою на рівні E = 10 % . Міра змін цієї величини встановлюється коефіцієнтом варіації «v ». При E = 10%^v = 10%. Тому під час виконання дискретизації конструкції, кількість кроків (рівнів) розбивки області на СЕ в подальших розрахунках визначалось не більше ніж 5 %.

На основі попередньо виконаних досліджень було створено такий алгоритм:

R = fMCE (Q, F, P, n / А = 5%), (1)

де Q = {{cob Ю2, ш,...}, (У, у, S,...}), (2)

= {{^ ., g.2, g , "і (Ф,^ Ф^ Ф, . }} , (3)

звідси

R = {{а„, ^ а1,... а,,...}, {У„, У^ У,... У,,...}}, (4)

де Q - збірка елементів колії; ш, - твердотілий .-ий елемент (об'єкт) сукупності елементів колії (клема, прокладка, рейка та ін.); g , ф, - j-ий

елемент сукупності геометричних параметрів і множина фізико-механічних властивостей об’єкта ю, відповідно; S = {У, S2, S...} - множина (сукупність) зв’язків між об’єктами; F, P - сукупність навантажень та закріплень; n -кількість циклів розрахунку; А - %-на схожість суміжних результатів; а,,, у ,t - t-ий елемент напружень та деформацій об’ єкта ш ; R -стан моделі відповідно розрахункам МКЕ.

Напруження, що пов’язані із деформаціями, описуються співвідношенням:

{„} = [D]{6e'}, (5)

де {а} - вектор напружень; [D] - матриця жорсткості; {se^} - вектор пружної деформації. Вектор напружень визначається з виразу:

-T

{а} = [а X,

а У ,а z,а ху,а yz,а XZ _

(6)

doi 10.15802/stp2015/42174

Вихідний масив, виражений вектором пружної деформації, описується виразом:

+

D

-1

{а},

(7)

де {s} - вектор повної деформації; {sth}

- век-

тор температурної деформації. Звідси

'■■Z’bXy’byZ’

s XZ }

(8)

Вектор температурної деформації визначається з виразу:

T

{s^AT [А х, А у, А z ,0,0,0] , (9)

AT = T - Tref

де А х, А у, А z - коефіцієнт температурного

розширення елемента в напрямку площини х,у,z; T - існуюча температура в певній точці; TREF - температура, при якій деформації відсутні.

Вектори деформацій (s) в певних точках х,у, z, ху, yz, xz описуються такими рівняннями:

s х = А хА T + а х / Ех - v хуа у / ЕУ - v хуа z / Ez s У = А У АІ + а У / Еу - v хуа х / ЕУ - v zyа z / Ez sz = Аz^ +аz / Ez -vxzаz / Ez -vzyау / Ez ,(10)

s =-ах^; s =-а^; s =а

ху g ’ 2У -

G

охх

де єх, єу ,sz - величини деформацій елемента в напрямку осей х, у, z ; sху, s^, sz;c - деформації зсуву КЕ-точок в площинах ху, xz, yz ; а х , а у , а z - напруження в елементах по осях х, у, z ; аху , а , ах - напруження зсуву в площинах ху, xz, yz .

Згідно з виразом (5), обернена матриця описується так:

148

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

1/ Ex -Vx /Ey -Vx /Ez 0 0 0

-Vx/Ex 1/Ey -vv !EZ 0 0 0

-v„ /Ez -v9 /Ey 1/Ez 0 0 0

0 1/Gx 0 0

0 0 1/Gy 1/Gz

0 0 0 0

, (11)

де E - модуль Юнга по осях x, y, z ; v - коефіцієнт Пуансона; G - модуль зсуву в площинах xy,xz, yz .

Напруження (ст), що виникають в елементах в напрямку осей x, y, z , та напруження зсуву в площинах xy, xz, yz , описуються за такими виразами:

ст x = Ex / h

1 -

Ы)

Ey / Ez

(є x A x AT P+

+Ex / h

Vyx + V zxVyzEy / Ez

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

x(sy Ay AT) + Ex / h

V zx + V yz V zx

ст y = Ey / h

x(sz - azAT)

1 -(Vzx^ ) Ex / Ez (sy“ AyAT) +

+Ex / h

Vyx + VzxVyzEy /Ez

(sx AxAT) + Ey / h

Vyx + V xzV yxEx / Ez

ст z = Ez / h

1 -

К)

Ex / Ez

x(s z A z AT )

(sz - AzAT) + ,

Ex / h

V zx + V zy V yx

x(sx AxAT) + Ey/h

V yz + V xzV yxEx / Ey

x(s y- A y AT ), (12)

ст = G s , ст = G s , ст = Gs

xy xy xy ^ zy zy zy ’ zx zx zx

де h = 1 - (Vxy ) Ex / Ey - (Vzy ) Ey / Ez -

-(Vxz)Ex /Ez - 2vxyVzyVxzEx /Ez . (13)

Модуль зсуву в площинах xy, xz, yz описується такими виразами:

doi 10.15802/stp2015/42174

Gxy = (EEy ) / (Ex + Ey + 2v yxEx ) , (14)

Gzy =( EyEz ) / (Ey + Ez + 2v yzEy ), (15)

Gxz =(EXEZ)/ (Ex + Ez + 2vzxEz) . (16)

Під час дослідження напруженого стану елементів у вузлі проміжного рейкового скріплення типу КІII1-5 до моделі прикладались зовнішні сили (F) (див. рис. 2), які виникають у складних умовах експлуатації, а саме: в кривих ділянках колії.

На основі цього було детально переглянуто та проаналізовано значення бічних та горизонтальних сил, що виникають в кривих ділянках колії під дією рухомого складу, за експериментальними звітами лабораторії КГНДЛ ДНУЗТу [2-5, 7, 15-16]. У ході аналізу брались до уваги різні види дослідного рухомого складу та параметри улаштування ділянок колії.

Оцінка зміни величини бічних та вертикальних сил, що виникають в колії під дією різних типів рухомого складу залежно від діапазону радіусів, зображено на рис. 3-5.

Рис. 3. Залежність бічних сил по зовнішній рейковій нитці від діапазону радіусів

Fig. 3. The dependence of lateral forces in the external rail thread from the range of radiuses

Величина бічних горизонтальних сил залежно від діапазону радіусів носить нелінійний характер (рис. 3), який можна описати функцією:

b

y = a + -, (17)

x

де a , b - постійні параметри.

Параметри функції 17, за яких вона має мінімум, можна описати системою рівнянь:

149

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

д п

— 2 (у - ахi -Ь )2

І = 1 д п

— 2 (у -ахі -Ь)2, (18)

І=1

де х , у. - виміряні координати 7-ї точки; п -

І І

кількість точок з виміряними координатами.

Рис. 4. Значення вертикальних сил по зовнішній нитці кривої залежно від діапазону радіусів

Fig. 4. The value of vertical forces in the external thread of the curve from range of radiuses

250 400 550 700 850 1000 1150

Рис. 5. Значення вертикальних сил по внутрішній нитці кривої залежно від діапазону радіусів

Fig. 5. The value of vertical forces on the internal thread of the curve from range of radiuses

Характер зміни величини вертикальних сил як по внутрішній, так і по зовнішній рейковій нитках залежно від діапазону радіусів R, м (за результатами апроксимування) носить лінійний характер (рис. 4, 5) та може описуватись функцією:

у = ах + Ь . (19)

doi 10.15802/stp2015/42174

Параметри функції (19) за методом найменших квадратів [11] можна описати такою системою рівнянь:

п п п

а 2 хІ2 +Ь 2 х=2 ХіУі ,

І=1 І=1 І=1

а2 х + пЬ = 2 Уі • (20)

І=1 І=1

За результатами апроксимування на рис. 3-5 можна побачити, що:

- величина бічних сил в кривих ділянках колії радіусом R = ж до R = 600 м стрімко збільшується і становить 60,5 %, в діапазонах кривих від 501-600 м до 401-500 м - на 8,33 %, від 401-500 м до 300-400 - на 20 %;

- по зовнішній рейковій нитці величина вертикальних сил змінюється в діапазонах радіусів від 601-1000 м до 501-600 м на 0,16 %, від 501-600 м до 401-500 м - на 0,19 %, від 401-500 м до 300-400 м - на 1,2 %;

- по внутрішній рейковій нитці величина вертикальних сил змінюється в діапазонах радіусів від 601-1000 м до 501-600 - на 1,68 %, від 501-600 м до 401-500 м - на 0,24 %, від 401-500 м до 300-400 м - на 6,6 %.

Результати розрахунків при різних середніх значеннях бічних та вертикальних сил, що виникають в діапазонах радіусів R=300^420 м; 421^550 м; 551^600 м, зображені у табл. 1.

Таблиця 1

Розрахункові значення напружень (о, МПа) в клемах

Table 1

The calculated stress values (о, MPa) in the terminals

Значення напружень (МПа) в клемах

Діапазон радіусів R, м Клема № 1 Клема № 2

Нижня частина прутка Верхня частина прутка Нижня частина прутка Верхня частина прутка

300... 420 134,945 29,956 57,716 24,512

421...550 98,923 26,991 38,484 20,312

551.600 72,885 23,918 36,712 17,480

Під час дослідження напруженого стану елементів у вузлі проміжного рейкового скріп-

150

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

лення типу КПП-5 до моделі прикладалась система сил (рис. 6), яка виникає у складних умовах експлуатації, а саме: в кривих ділянках колії при різних діапазонах радіусів.

Проаналізувавши теоретично-отримані дані, що зображені на рис. 7, та згідно з табл. 1 встановлено, що середні значення напружень, які виникають в прутках клеми № 1 (внутрішня сторона рейкової нитки), значно більші, ніж величини напружень в прутках клеми № 2 (зовнішня сторона рейкової нитки). Процентне співвідношення яких зображено на рис. 8.

Рис. 6. Розрахункова схема вузла рейкового скріплення типу КПП-5:

1 - рейка; 2, 7 - клеми; 4 - підрейкова прокладка;

5 - залізобетонна шпала; 3, 6 - ізолюючий вкладиш

Fig. 6. Calculation model of node rail fastening, type КПП-5:

1 - rail; 2, 7 - terminals; 4 - rail pad;

5 - concrete ties; 3, 6 - isolating liner

Рис. 7. Залежність напружень у прутках клем по зовнішній та внутрішній стороні рейкової нитки

Fig. 7. The dependence of the stresses in the bars of terminals on the external and internal sides of the rail thread

Згідно з рис. 8 проаналізувавши отримані дані, встановлено, що значення напружень у нижній частині прутка клеми по внутрішній стороні рейкової нитки на 56 % більші, ніж по зовнішній стороні рейкової нитки.

doi 10.15802/stp2015/42174

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

N5 клеми

1 7 1 )

Рис. 8. Порівняльні середні значення напружень в прутках клем 1 та 2

Fig. 8. Comparative average values of stresses in the bars with terminals 1 and terminal 2

Значення напружень у верхній частині прутка клеми на 53,1 % більші, ніж значення напружень у верхній частині прутка клеми, але не перевищують допустимих, що підтверджено також [1, 9, 14].

Результати

В результаті аналізу отриманих даних, що зображені на рис. 8, бачимо, що значення напружень у прутках клеми по внутрішній стороні рейкової нитки на 53,1-56 % більші, ніж значення напружень по зовнішній стороні рейкової нитки.

Отримавши на основі теоретичних розрахунків, згідно з вищенаведеним алгоритмом, вихідні значення напружених властивостей k-ого елемента конструкції, можливо проаналізувати найбільш імовірно-достовірні місця появи максимальних напружень в елементах вузла проміжного рейкового кріплення типу КПП-5, особливо в клемі.

Наукова новизна та практична значимість

Розроблена математична модель роботи залізничної колії із проміжним рейковим скріпленням типу КПП-5 під дією рухомого складу для дослідження напруженого стану у елементах вузла скріплення. Ця математична модель дозволяє врахувати фізико-механічні властивості дослідних елементів та геометричні умови закріплення, що являють собою конструктивні та експлуатаційні характеристики роботи всього вузла скріплення в цілому.

Отримані в роботі положення та результати СЕ-моделювання дозволяють відобразити та

151

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

дослідити найбільш імовірні місця появи напруженого стану в елементах скріплення типу КПП-5, в яких в подальшому можуть виникнути пошкодження та дефекти, що вплине на стабільність роботи залізничної колії в цілому.

Висновки

За допомогою моделювання роботи конструкції залізничної колії із проміжним рейковим скріпленням типу КПП-5, що ґрунтується на теорії МСЕ, було встановлено, що одним із головних елементів вузла скріплення, які першими сприймають частку величини бічної сили, що передається під дією рухомого складу, є пружні клеми типу КП-5.

У місцях клеми, де напружений стан, що виникає від сумісної взаємодії колії та коліс рухомого складу, є максимальним, під час експлуатації будуть виникати напруження втоми [10], які в подальшому можуть призвести до послаблення силового ланцюжка - «рейка-клема-прокладка». Одночасно це призведе до втрати стабільності роботи вузла проміжного рейкового скріплення типу КПП-5 та можливого виникнення угону плітей безстикової колії [8, 10, 17-18,].

На сьогодні особливість утримання скріплення типу КПП-5 полягає у заміні дефектних деталей в ході їх виявлення. Елементи скріплення ремонту не підлягають і замінюються на нові, які визначаються натурним оглядом геометричних розмірів [6].

На цей час існує проблема, що пов’язана з відсутністю методики та засобів контролю за станом роботою вузла проміжного рейкового скріплення типу КПП-5 в експлуатації, а саме: контроль за роботою клем типу КП-5, оскільки вони визначають надійність роботи вузла скріплення в цілому. Виникає необхідність розробки рекомендацій щодо утримання залізничної колії із проміжним рейковим скріпленням типу КПП-5, які б дозволили підсилити роботу вузла скріплення з одночасним збереженням необхідної величини сили притискання рейки до підрейкової основи протягом всього міжремонтного терміну експлуатації.

Це одночасно відкрило б можливість збільшення полігону укладки проміжних рейкових скріплень типу КПП-5, включаючи і криві радіусом менше ніж 400 м.

doi 10.15802/stp2015/42174

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Говоруха, В. В. Создание и внедрение упругих элементов промежуточного скрепления рельсового пути / В. В. Говоруха // Вісн. Дніпро-петр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Ла-заряна. - Дніпропетровськ, 2003. - Вип. 2. -С. 162-171.

2. Експериментальне дослідження впливу на колію та стрілочні переводи дослідних піввагонів на візках моделі 18-4129 з навантаженням на вісь 25 тс у порівнянні з піввагоном на візках моделі 18-100 з навантаженням на вісь 23,5 тс. : звіт про НДР / ДНУЗТ ; кер. Рибкін В. В. ; ви-кон.: Гнатенко В. П., Циганенко В. В., Мойсеє-нко К. В. - Дніпропетровськ, 2008. - 56 с. -Бібліогр.: с. 56. - № ГР 0107U010381.

3. Испытания электровоза ЭПЛ-01 по критерию воздействия на путь и стрелочные переводы : отчет о НИР / ДНУЖТ ; рук. Рыбкин В. В. ; ис-полн.: Гнатенко В. П., Татуревич А. П. - Днепропетровск, 2002. - 63 с. - Библиогр.: с. 63. -№ ГР 0102U005873.

4. Испытания электровоза ЭПЛ9Т-001 по критерию воздействия на путь и стрелочные переводы : отчет о НИР / ДНУЖТ ; рук. Рыбкин В. В. ; исполн.: Гнатенко В. П., Татуревич А. П. -Днепропетровск, 2002. - 158 с. - Библиогр.: с. 158. - № ГР 0102U005875.

5. Испытания электропоезда ЭПЛ2Т-01 по критерию воздействия на путь и стрелочные переводы : отчет о НИР/ ДНУЖТ ; рук. Рыбкин В. В. ; исполн.: Гнатенко В. П., Татуревич А. П. -Днепропетровск, 2006. - 114 с. - Библиогр.: с. 114. - № ГР 0102U005873.

6. Інструкція з укладання та утримання рейкової колії з рейками типу Р65, UIC60 і пружним проміжним скріпленням типу КПП-5 та високоміцними ізолюючими стиками (ЦП-0104) / С. М. Демченко, В. Л. Піскунов, О. В. Саєнко, В. О. Сестринський. - Київ : Транспорт України, 2003. - 46 с.

7. Комплексные ходовые динамические и прочностные и по воздействию на путь, стендовые статистические на действие продольной силы, ударно-определительные испытания электровоза ДС3-001 : отчет о НИР / ДНУЖТ ; рук. Блохин Е. П., Рыбкин В. В. ; исполн.: Блохин

Е. П., Рыбкин В. В. - Днепропетровск, 2004. -196 с. - Библиогр.: с. 196. - № ГР 0103U003009.

8. Нехорошев, Ю. П. Результаты испытаний скрепления СБ-3 / Ю. П. Нехорошев, В. И. Матвецов // Путь и путевое хоз-во. -

2005. - № 6. - С. 26-27.

152

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

9. Оцінка параметрів пружної клеми марки КП.-5.2 / М. Д. Костюк., В. В. Рибкін., І. О. Бондаренко., Н. М. Івченко // Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. -Дніпропетровськ, 2003. - Вип. 2. - С. 11-17.

10. Рыбкин, В. В. Исследование вопросов внедрения конструкции бесстыкового пути на железобетонных шпалах в кривых радиусом менее 300 м / В. В. Рыбкин, Н. П. Настечик, Р. В. Маркуль // Соврем. проблемы проектирования, стр-ва и эксплуатации ж.-д. пути : тр. X науч.-техн. конф. - Москва, 2013. - С. 198-201.

11. Рибкін, В. В. Надійність залізничної колії : на-вч. посіб. / В. В. Рибкін, І. О. Бондаренко, Д. М. Курган. - Дніпропетровськ : ДНУЗТ, 2013. - 154 с.

12. Рибкін, В. В. Оцінка впливу величини бічної-

горизонтальної сили, що передається на вузол проміжного рейкового скріплення типу КБ та КПП-5 / В. В. Рибкін, І. О. Бондаренко,

Р. В. Маркуль / Пробл. взаємодії колії та рухомого складу : пр. міжнарод. наук.-практ. конф., присвяченій 100-річчю проф. М. А. Фрішмана / Дніпропетр. нац. ун-т залізн. трансп. - Дніпропетровськ, 2013. - С. 38-39.

13. Рибкін, В. В Оцінка втомлено-міцністних характеристик елементів вузла проміжного рейкового скріплення типу КБ-65 та КПП-5 при повторно-змінних циклах навантаження конструкції / В. В. Рибкін, І. О. Бондаренко,

Р. В. Маркуль / Пробл. взаємодії колії та рухомого складу : пр. міжнарод. наук.-практ. конф., присвяченій 100-річчю проф. М. А. Фрішмана / Дніпропетр. нац. ун-т залізн. трансп. - Дніпропетровськ, 2013. - С. 39-40.

14. Уманов, М. И. Исследования напряженнодеформированного состояния пути со скреплением КПП / М. И. Уманов, В. В. Ковалев, С. Н. Сова // Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. -Дніпропетровськ, 2003. - Вип. 2. - С. 101-105.

15. Умови дослідного зразка маневрового тепловоза ТЕМ103, розроблені на підставі результатів експериментальних та теоретичних досліджень його впливу на колію та стрілочні переводи : звіт про НДР / ДНУЗТ ; кер. Рибкін В. В. ; ви-кон.: Гнатенко В. П., Циганенко В. В. - Дніпропетровськ, 2007. - 44 с. - Бібліогр.: с. 44. -№ ГР 0107U005238.

16. Условия обращения опытного образца магистрального пассажирского тепловоза ТЕП150-001, разработанные на основании экспериментальных исследований его воздействия на путь и стрелочные переводы : отчет о НИР / ДНУЖТ ; рук. Рыбкин В. В. ; исполн.: Гнатенко В. П., Татуревич А. П. - Дніпропетровськ,

2006. - 102 с. - Библиогр.: с. 102. - № ГР 0106U010227.

17. Rezaie, F. Experimental and numerical studies of longitudinal crack control for pre - stressed concrete sleepers / F. Rezaie, M. R. Shiri, S. M. Far-man // Engineering Failure Analysis. - 2012. -Vol. 26. - Р. 21-30. doi: 10.1016/j.engfaila-nal.2012.07.001.

18. Rybkin, V. V. Stability issues of the continuous welded rail track on the concrete sleepers on the curves with radius R<300 m / V. V. Rybkin,

N. P. Nastechik, R.V. Marcul // Sciences in Cold and Arid Region. - Beijing, 2013. - Vol. 5. - Iss.

5. - Р. 1-7.

М. П. НАСТЕЧИК1, И. А. БОНДАРЕНКО2, Р. В. МАРКУЛЬ3*

*Каф. «Путь и путевое хозяйство», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 31, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-4178-6092

2Каф. «Путь и путевое хозяйство», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 31, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-4717-3032

3 Каф. «Путь и путевое хозяйство», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 31, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-7630-8963

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ УЗЛА СКРЕПЛЕНИЯ ТИПА КПП-5 ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Цель. На сегодняшний день существует тенденция по внедрению скоростного и высокоскоростного движения поездов на дорогах Укрзализныци, что требует повышения прочности и устойчивости конструкции железнодорожного пути. Одновременно с этим повысились и расширились требования, предъявляемые

153

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

к промежуточным рельсовым скреплениям. Именно на путевые работы по содержанию и ремонту узла скрепления приходится от 10 до 18 % трудовых затрат во время эксплуатации. Одним из основных видов скрепления, которые после длительных эксплуатационных наблюдений вошли в постоянную эксплуатацию (5 тыс. км), является промежуточное скрепление типа КПП-5. Данные предыдущих теоретических исследований достоверно не давали четких научно обоснованных ответов и результатов работы всего узла крепления. Поэтому целью опыта является разработка и обоснование методики проведения теоретического исследования работы узла скрепления типа КПП-5 с детальной оценкой мест появления напряженного состояния в его элементах от воздействия подвижного состава. Методика. В основе обоснования методики теоретического исследования работы узла промежуточного рельсового скрепления типа КПП-5 (с детальной оценкой напряженного состояния в его промежуточных элементах от воздействия подвижного состава) лежит теория метода конечных элементов (МКЭ). Результаты. С помощью применения теории МКЭ было установлено: одним из главных элементов узла скрепления, которые первыми воспринимают долю величины боковой силы, передаваемой от воздействия подвижного состава, являются упругие клеммы типа КП-5. Анализируя полученные данные, установлено, что значение напряжений в прутках клеммы с внутренней стороны рельсовой нити на 53,1-56 % больше, чем значение напряжений на внешней стороне рельсовой нити. Научная новизна. Разработана математическая модель работы железнодорожного пути с промежуточным рельсовым скреплением типа КПП-5 под действием подвижного состава для исследования напряженного состояния в элементах узла скрепления. Данная математическая модель позволяет учесть физикомеханические свойства исследуемых элементов и геометрические условия закрепления, представляющие собой конструктивные и эксплуатационные характеристики работы всего узла скрепления в целом. Практическая значимость. Полученные в данной работе положения и результаты КЭ-моделирования позволяют отразить и исследовать наиболее вероятные места появления напряженного состояния в элементах скрепления типа КПП-5, в которых в дальнейшем могут возникнуть повреждения и дефекты, что повлияет на стабильность работы железнодорожного пути в целом.

Ключевые слова: промежуточное скрепление; упругая клемма; подрельсовая прокладка; жесткость; сила прижатия; метод конечных элементов

N. P. NASTECHIK1, I. A. BONDARENKO2, R.V. MARCUL3*

*Dep. «Railway Track and Track Facilities», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 31, е-mail [email protected], ORCID 0000-0002-4178-6092

2Dept. «Railway Track and Track Facilities», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 31, е-mail [email protected], ORCID 0000-0003-4717-3032

3 Dep. «Railway Track and Track Facilities», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 31, е-mail [email protected], ORCID 0000-0002-7630-8963

INVESTIGATION OF STRESS STATE IN THE ELEMENTS OF RAIL FASTENINGS, TYPE КПП-5 UNDER THE INFLUENCE OF ROLLING STOCK

Purpose. To date, there is a tendency for the implementation of high-speed trains on the territory of the Ukrainian Railways, which requires increasing the strength and stability of the construction of the railway track. At the same time requirements for intermediate rail fastening have increased and widened. It is on trackwork and repair of the rail fastening labor costs during the operation are from 10 to 18%. One of the main types of fastening, which after long operational observations was included in the permanent operation (5 th. km.) is an intermediate fastening, type КПП-5. Data from previous theoretical studies reliably prevented clear science-based answers and results of the rail fastening. Therefore, the aim is to develop a methodology and rationale for the theoretical research work of rail fastening, type КПП-5 with a detailed assessment of the appearance of stress state places in its elements from the effects of rolling stock. Methodology. The basis of study methods of theoretical research work of the intermediate rail fastening, type КПП-5 (with a detailed assessment of the state of stress in its intermediate elements from the effects of the rolling stock) is the theory of finite elements method (FEM). Findings. Using the FEM it was found that one of the main elements of the intermediate rail fastening, which first perceives share of the value of the lateral force transmitted from the effects of rolling stock are elastic type terminals, type КП-5. Analyzing the data set, the

154

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

bars in the terminal voltages at the inner side of the rail thread 53,1-56% are greater than the stresses on the outside of rail thread. Originality. A mathematical model of railway track with intermediate rail fastening, type КПП-5 under the action of rolling stock for the study of the stress state in the elements of fastening was developed. This mathematical model let take into account the physical and mechanical properties of the test elements and geometrical fixing fastenings as constructive and operational characteristics of the entire rail fastening in general. Practical value. The obtained results in this work of FE simulations allow reflecting and exploring the most likely places of the stress state appearance in the elements of the fastening, type КПП-5, in which damages and defects can be in the future. This in general will affect the operation stability of the railway track as a whole.

Keywords: intermediate fastening; elastic terminal; under-rail pad; stiffness; pressing force; finite element method

REFERENCES

1. Govorukha V.V. Sozdaniye i vnedreniey uprugikh elementov promezhutochnogo skrepleniya relsovogo puti [The creation and implementation of elastic elements of intermediate rail fastening]. Visnyk Dnipropet-rovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2003, issue 2, pp. 162-171.

2. Rybkin V.V., Hnatenko V.P., Tsyhanenko V.V., Moiseienko K.V. Eksperymentalne doslidzhennia vplyvu na koliiu ta strilochni perevody doslidnykh pivvahoniv na vizkakh modeli 18-4129 z navantazhenniam na vis 25 ts u porivnianni z pivvahonom na vizkakh modeli 18-100 z navantazhenniam na vis 23,5 t [Experimental study of the effects on the tracks and switches of research gondolas on trucks, model 18-4129 with an axle load of 25 t compared to the gondola on the model 18-100 trucks with axle load of 23.5 t.]. Dnipropetrovsk, 2008. 56 p. No. GR 0107U005238.

3. Rybkin V.V., Gnatenko V.P., Taturevich A.P. Ispytaniya elektrovoza ЭПЛ-01 po kriteriyu vozdeystviya na put i strelochnyye perevody [Test of ЭПЛ-01 locomotive by criterion effects on the tracks and switches]. Dnipropetrovsk, 2002. 63 p. No. GR 0102U005873.

4. Rybkin V.V., Gnatenko V.P., Taturevich A.P. Ispytaniya elektrovoza ЭПЛ9К001 po kriteriyu vozdeystviya na put i strelochnye perevody [Test of ЭПЛ9T-001 locomotive by criterion effects on the tracks and switches]. Dnipropetrovsk, 2002. 158 p. No. GR 0102U005875.

5. Rybkin V.V., Gnatenko V.P., Taturevich A.P. Ispytaniya elektropoyezda ЭПЛ2К01 po kriteriyu vozdeystviya na put i strelochnyye perevody [Test of ЭПЛ2T-01 locomotive by criterion effects on the tracks and switches]. Dnipropetrovsk, 2006. 114 p. No. GR 0102U005873.

6. Demchenko S.M., Piskunov V.L., Saienko O.V., Sestrynskyi V.O. Instruktsiia z ukladannia ta utrymannia reikovoi kolii z reikamy typu Р65, UIC60 i pruzhnym promizhnym skriplenniam typu Knn-5 ta vysokomitsnymy izoliuiuchymy stykamy (ЦП-0104) [Instructions for the laying and maintenance of track rails, type P65, UIC60 and elastic intermediate fastening, type КПП-5 and high strength and insulating joints (ЦП-0104)]. Kyiv, Transport Ukrainy Publ., 2003. 46 p.

7. Blokhin Ye.P., Rybkin V.V. Kompleksnyye khodovyye i dinamicheskiye i prochnostnyye po vozdeystviyu na put, stendovyye statisticheskiye na deystviye prodolnoy sily, udarno-opredelitelnyye ispytaniya elektrovoza ДС3-001 [Complex leading and dynamic and strength upon influence the track, bench statistics for the longitudinal force, the shock-determinative tests of locomotive ДС3-001]. Dnipropetrovsk, 2004. 196 p. No. GR 0103U003009.

8. Nekhoroshev Yu.P., Matvetsov V.I. Rezultaty ispytaniy skrepleniya СБ-3 [The test results of СБ-3 fastening]. Put i putevoye khozyaystvo - The Track and Track Facilities, 2005, no. 6, pp. 26-27.

9. Kostiuk M.D., Rybkin V.V., Bondarenko I.O., Ivchenko N.M. Otsinka parametriv pruzhnoi klemy marky КП.-5.2 [Assessment of elastic parameters of the brand КП.-5.2.]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2003, issue 2, pp. 11-17.

10. Rybkin V.V., Nastechik N.P., Markul R.V. Issledovaniye voprosov vnedreniya konstruktsii besstykovogo puti na zhelezobetonnykh shpalakh v krivykh radiusom meneye 300 m [Research of the introduction questions of the continuous welded rail design on concrete sleepers in curves with a radius less than 300 m]. Trudy X nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Sovremennyye problemy proyektirovaniya, stroitelstvava i ekspluatatsii zheleznodorozhnogo puti» [Proc. of the X Sci.-Technical Conf. «Contemporary issues of design, construction and operation of raiways»]. Moscow, 2013, pp. 198-201.

155

ISSN 2307-3489 (Print), ISSN 2307-6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2015, № 2 (56)

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

11. Rybkin V.V., Bondarenko I.O., Kurhan D.M. Nadiinist zaliznychnoi kolii [The reliability of a railway track]. Dnipropetrovsk, DNUZT Publ., 2013. 154 p.

12. Rybkin V.V., Bondarenko I.O., Markul R.V. Otsinka vplyvu velychyny bichnoi-horyzontalnoi syly, shcho peredaietsia na vuzol promizhnoho reikovoho skriplennia typu KB ta KHH-5 [Evaluation of the effect of the magnitude of the lateral and horizontal forces transmitted to the node intermediate rail fastening, type KB and Knn-5]. Pratsi Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii «Problemy vzaiemodii kolii ta rukhomoho skladu» [Proc. of Intern. Sci. and Practical Conf. «Problems of Interaction between the Track and Rolling Stock»]. Dnipropetrovsk, 2013, pp. 38-39.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

13. Rybkin V.V., Bondarenko I.O., Markul R.V. Otsinka vtomleno-mitsnistnykh kharakterystyk elementiv vuzla promizhnoho reikovoho skriplennia typu KB-65 ta Kl II1-5 pry povtorno-zminnykh tsyklakh navantazhennia konstruktsii [Evaluation of wearily and strength characteristics of the elements of the intermediate rail fastening, type KB-65 and Kl II1-5 during revariable load cycles design]. Pratsi Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii «Problemy vzaiemodii kolii ta rukhomoho skladu» [Proc. of Intern. Sci. and Practical Conf. «Problems of Interaction between the Track and Rolling Stock»]. Dnipropetrovsk, 2013, pp. 39-40.

14. Umanov M.I., Kovalev V.V., Sova S.N. Issledovaniya napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya puti so skrepleniyem ХИП [The study of stress-strain state of the road with a ХИП fastening]. Visnyk Dnipropet-rovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2003, issue 2, pp. 101-105.

15. Rybkin V.V., Hnatenko V.P., Tsyhanenko V.V. Umovy doslidnoho zrazka manevrovoho teplovoza TEM103, rozrobleni na pidstavi rezultativ eksperymentalnykh ta teoretychnykh doslidzhen yoho vplyvu na koliiu ta strilochni perevody [The conditions of the prototype shunting locomotive TEM 103 developed on the basis of the results of experimental and theoretical studies of its effects on the tracks and switches]. Dnipropetrovsk,

2007. 44 p. No. GR 0107U005238.

16. Rybkin V.V., Gnatenko V.P., Taturevich A.P. Usloviya obrashcheniya opytnogo obraztsa magistralnogo pas-sazhirskogo teplovoza ТЕП150-001, razrabotannyye na osnovanii eksperimentalnykh issledovaniy yego vozdeystviya na put i strelochnyye perevody [The conditions of circulation of the prototype mainline passenger locomotive TEn-001, developed on the basis of experimental studies of its effects on the tracks and switches]. Dnipropetrovsk, 2006. 102 p. No. GR 0106U010227.

17. Rezaie F., Shiri M.R., Farman S.M. Experimental and numerical studies of longitudinal crack control for pre -

stressed concrete sleepers. Engineering Failure Analysis, 2012, vol. 26, pp. 21-30. doi:

10.1016/j.engfailanal.2012.07.001.

18. Rybkin V.V., Nastechik N. P., Marcul R.V. Stability issues of the continuous welded rail track on the concrete sleepers on the curves with radius R<300 m. Sciences in Cold and Arid Region, 2013, vol. 5, issue 5, pp. 1-7.

Стаття рекомендована до публікації д.т.н., проф. В. Д. Петренком (Україна); д.т.н. проф.

Й. Й. Лучком (Україна)

Надійшла до редколегії: 13.02.2015

Прийнята до друку: 16.04.2015

doi 10.15802/stp2015/42174

156

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Настечик М. П., Бондаренко И. А., Маркуль Р. В.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Настечик М. П., Бондаренко И. А., Маркуль Р. В.

INVESTIGATION OF STRESS STATE IN THE ELEMENTS OF RAIL FASTENINGS, TYPE

Текст научной работы на тему «Дослідження напруженого стану в елементах вузла скріплення типу КПП-5 під дією рухомого складу»