CC BY
26
Анотацн:
Викладеш результати експериментальних досль джень взаемоди коли та рухомого складу при швидкос-тях руху до 160 км/год.
Приведены результаты экспериментальных исследований взаимодействия пути и подвижного состава при скоростях движения до 160 км/час.
The results of experimental researches interaction of railway track and rolling stock at speeds of movement to 160 km/hour.
УДК 625.032.432
РИБК1Н В. В., д. т. н., проф., (ДНУЗТ), ЛИСАК В. А., астрант, (ДНУЗТ),
БУРДЮКА О. Л., шженер. (Керченський стршочний завод).
Дослщження роботи стршочного переводу проекту кс1002.00.000. у безстико-в1й колй'
Вступ
На залiзницях Украши безстикова колiя е найбiльш прогресивною i основною констру-кцiею колп. Переваги безстиково'1 колп, а та-кож широке використання на залiзницях Украши в якосп пiдрейковоi основи залiзобетон-них шпал, роблять п основною конструкцiею залiзничноi колп незалежно вiд розмiрiв ван-тажонапруженостi [1]. Тому виникае необхщ-нiсть дослiдження роботи стршочних перево-дiв, що примикають до безстиково'1' колп.
Вiдповiдно до рекомендацш ОСЖД [3], при примиканнi стршочного переводу до безстиково'1 колп необхщно влаштовувати захист у виглядi таких конструкцiй:
- зрiвнюючi дшянки;
- анкернi дiлянки;
- зрiвнювальнi стики;
Вiдповiдно до дiючих норм Укрзалiзницi [1], примикання дiлянок безстиково! колп не-обхiдно здiйснювати лише одним способом -через два зрiвнювальнi прольоти, довжиною
12,5 метрiв.
Стрiлочний перевiд типу Р65 марки 1/11 проекту КС6511-03.00.000 на залiзобетонних брусах розроблено ВАТ «Керченський стршочний завод» для застосування на дшянках з безстиковою конструкщею колп. Особливютю даного переводу е те, що хрестовина мае по-довжений заднш вилiт. Вiн закiнчуеться особливою конструкщею стика заднього вильоту хрестовини. З'еднання рейок з хрестовиною вщбуваеться не торець у торець, як у звичай-них стршочних переводах, а тд кутом 4°48' (рис. 1). Через це виникае загроза зрiзу бол^в пiд дiею температурних сил, при недотриман-ш iснуючих iнструкцiй по утриманню зрiв-нюючих прольотiв безстиковох колп.
Ось чому метою роботи е визначення па-раметрiв мiцностi хвостового скршлення хрестовини дослiдного стрiлочного переводу за умови забезпечення безпеки руху по'здв тд дiею осьових температурних сил.
Рисунок 1. - Схема примикання рейок з литою частиною хрестовини.
Примикання безстиково'' коли до стршо-чного переводу може вщбуватися по декiльком схемам: примикання безстиково'' плiтi з перегону, плт, що розташована мiж хрестовиною одного стрiлочного переводу та рамною рейкою iншого переводу, мiж хрестовинами стрь
лочних переводiв. Розподiл температурних зу-силь мiж стрiлочними переводами був показаний у багатьох роботах. Так, приклад, на рисунку 2 показаний розподш температурних зусиль найнебезпечшшого варiанту розташу-вання безстиково'' плiтi.
Рисунок 2. - Схема розподшу температурних зусиль мiж хрестовинами стрiлочних переводiв.
Розрахунок хвостового з'еднання дано'' хрестовини зводиться до розрахунку стикових бол^в на зрiз. При чому, найбшьш небезпеч-ним е випадок вичерпання зазору мiж отвора-ми та болтами.
Згiдно з [1], рекомендований температу-рний штервал закрiплення безстиково'' колп на територп Укра'ни складае вiд 25 °С до 35 °С, а максимальна температура рейки досягае 61 °С Таким чином, при закршленш колп у даному дiапазонi, найбiльшим тдвищенням темпера-тури вiдносно температури закршлення скла-датиме 36 °С. При укладанш безстиково'' коли не в рекомендованому температурному дiапа-зонi це число може збшьшуватися.
Поздовжнiй розподшений опiр зсуву
рейки по шпалi складае 25 кН/м, а максимально можливе тдвищення температури вщ температури закрiплення з умов стшкосп досягае 56 °С для рейок типу Р65 [1]. Провiвши еле-ментарнi розрахунки, легко отримати макси-мальну довжину «дихаючих кшщв», яка дося-гатиме 46 метрiв. Оскiльки, згiдно до [1] мш-мальна довжина плiтi безстиково'' колп складае 100 метрiв, то на стршочш переводи буде дiяти повна величина температурно'' сили, що не залежатиме вщ довжини плт.
Основним принципом розрахунку е ви-значення коефщента запасу мiцностi, який визначаеться як вщношення утримуючих сил до зрiзаючих [4].
Рисунок 3. - Схема розподшу сил та реакцш, що дiють на стик заднього вильоту дано!
хрестовини:
Pt - температурна сила в плт; Ptx - проекцiя температурно! сили на вюь Х; Pty - проекщя температурно! сили на вюь У; N - нормальна реакщя основи; Fтр - сила тертя; Fоп - сила опору зрiзy 6олт1в; А - сила притискування болтiв; у - кут стругання рейок в задньому стику хрестовини.
Як видно з рисунку 3, утримуючими силами е сила опору бол^в зрiзу та сила тертя. Зрiзаючою е проекцiя температурно! сили на лiнiю з'еднання рейок (рисунок 3).
Температурна сила, що виникае у рейках, залежить вщ площi поперечного перерiзу рейки, матерiалу рейки та змiни температури рейки вщносно температури закршлення. Для ро-зрахунку найбiльш небезпечного випадку, не-обхiдно приймати значення площi поперечного перерiзу рейки без зносу.
Вщповщно вимогам [1], температуры зусилля в рейках визначаються за формулою
де
ц - коефщент тертя рейково! сталi, що визначасться згiдно з [4] ( ц =0,25);
Сила реакцп опори визначаеться з умови рiвностi нулю суми уах проекцiй сил на вюь дп сили реакцп опори. Тому вона буде склада-тися з проекцп температурно! сили та сили притискування бол^в
N = Pt sin у + Acos у
(3)
P = aEF Át
(1)
Якщо при затягуваннi болта гайкою зне-хтувати скручуванням, що допустимо при зма-занiй рiзьбi, то величину поздовжньо! сили, що дiе на болт можна визначити по формул
де а - коефщент температурного роз-ширення сталi, що дорiвнюе 1,18 10-5 °С-1;
A = ■
2 •%• M
E -
модуль пружносп рейково! сталi,
h + % • ц • (d + D)
(4)
що дорiвнюе 2,1 105 МПа;
F -Át _
площа поперечного перерiзy рейки;
рiзниця мiж температурою рейки, при якш визначають напруження, i температурою закрiплення плт на шпалах, °С;
Так як рейки примикають до заднього стику хрестовини тд кутом у, то сила тертя буде визначатися за формулою
де
M -
зовшшнш крутячий момент, що
прикладений до гайки, рiвний, згщно до [1], М =600 Нм;
Ь - крок нарiзки рiзьби на болтах (для рейок типу Р65 h=3,5 мм);
^ - дiаметр середнього круга тертя нарь зки гайки по нарiзцi болта;
Fmv = N ц
D -
(2)
дiаметр середнього круга тертя гай-
ки по рейщ;
Пiдставивши формулу (4) та (1) в (3), а результат в формулу (2) отримаемо розрахун-кову формулу, за якою буде визначатися сила тертя
F =
тр
aEFAt sin у -
2kM
h + %^(d + D)
cos у
Ц
, (5)
Fon = Rbs У bAb ns n
(6)
F = F
ут on
F
тр
Поставивши в формулу (7) формули (6) та (5), отримаемо розрахункову формулу ви-значення зусилля, утримуючого вщ зрiзу
2Ш
Розрахункове зусилля, що може витри-мати болтове з'еднання розраховуеться за формулою [4]
i-, п л , aEFAt sin у+--cos у ц
Fym = Rbs УЬАЬПП + ^ У h + ^(d + D) У JЦ (8)
При схем^ розглянутш на рис. 3 зрiзаюча сила буде чисельно рiвною проекцп температурного зусилля в рейщ на лiнiю зрiзу рейки
F3p = Px = aEFAt cos у
(9)
R
де bs - розрахунковий отр болтових з'еднань, що залежить вщ класу сталi болтiв;
Уь - коефщент умов роботи;
А
b - розрахункова площа перерiзу стержня болта;
n
s - кiлькiсть поверхонь зрiзу;
n - кiлькiсть бол^в;
Утримуюче вiд зрiзу зусилля (рисунок 3) буде рiвним алгебршчнш сумi сили тертя та сили опору бол^в зрiзу
Оскiльки коефiцiент запасу мщносп ви-значаеться як вщношення утримуючих зусиль до зрiзаючих, то його формула буде мати ви-гляд
K = -
F,,
(10)
Пщставивши в формулу (10) формули (8) та (9), отримаемо розрахункову формулу ви-значення коефщенту запасу мщносп при зрь заннi бол^в температурною силою.
K = aEFAt cos у / Rbsуь Ann +
+
aEF At sin у -
2%M
h + + D)
cos у
Ц
(11)
Мiцнiсть буде забезпечуватися, якщо ко-ефщент запасу мiцностi буде залишатися бь льшим одиницi на протязi усього штервалу можливого пiдвищення температури.
Очевидно, що найнебезпечшшим варiан-том буде момент часу найбшьшо'' рiзницi температур мiж температурою закрiплення плт на шпалах та юнуючою температурою рейок на момент вимiру Тому коефщент запасу мь цностi визначали для рiзних класiв сталi при максимально можливому, згiдно з рекоменда-
цiями [1], пiдвищенню температури рейки в порiвняннi з температурою закршлення, що складае 36° С. На рисунку 4 приведений гра-фш залежносп коефiцiенту запасу мiцностi вщ класу сталi болтiв. Даний графш нелiнiйний з непостiйним приростом при змш класу сталi, з якого виконаш болти, що доводить неможли-вiсть перерахунку даного параметру шляхом добутку на сталий коефщент.
Рисунок 4. - Залежтсть коефiцieнту запасу мщносп вiд класу сталi болтiв: 1 - коефщент запасу мiцностi; 2 - граничний коефщент запасу мщносп.
■¡= 1,40 о
2 1,20 =т
' 2 1,00 >
сб 0,80 с
™ 0,60 н
.«г 0,40 0,20
а>
£ 0,00
8,8 10,9
Клас стал1 болт1в
2
Проаналiзувавши рисунок 4, були зроб-ленi висновки про клас болпв, що задоволь-няють умовам мiцностi. Тому подальшi розра-хунки для максимально можливого тдвищен-ня температури рейки в порiвняннi з температурою закршлення проводилися для класiв сталi 8.8 та 10.9. Для шших клаав сталi було проведено дослiдження границ мiцностi в за-лежносп вщ змiни температури. Графiк зале-жносп коефiцieнту запасу мiцностi вiд змши рiзницi температур рейки та температури закршлення плт для болпв зi сталi класу 8.8 зображений на рисунку 5.
Проаналiзувавши рисунок 5, стае ясно, що мщтсть заднього стика хрестовини буде
забезпечуватися при дп поздовжньо! сили, що менша температурно! сили в рейщ, яка вщпо-вiдае рiзницi температур у 36° С. Допустиме тдвищення температури з умов мщносп бь льше, нiж максимальне значення тдвищення температури при укладанн плiтей у рекомен-дованому [1] iнтервалi, тому болти зi сталi класу 8.8 витримають температурнi наванта-ження.
Для досшдження даного питання для болпв зi сталi класу 10.9 був побудований графш залежностi коефiцiенту запасу мщносп вщ змiни рiзницi температур рейки та температури закршлення плт, який зображений на рисунку 6.
Р1зниця температур, °С
Рисунок 5. - Графш залежносп коефщенту запасу мiцностi вiд змши рiзницi температур рейки та температури закршлення плт для болпв зi сталi класу 8.8:
1 - коефщент запасу мiцностi; 2 - граничний коефщент запасу мiцностi; 3 - максимально можлива змiна температури зпдно ЦП 0081
Рисунок 6. - Графш залежностi коефiцieнту запасу мщносп вiд змiни рiзницi температур рейки та температури закршлення плт для болтiв зi сталi класу 10.9:
1 - коефщент запасу мщносп; 2 - граничний коефщент запасу мiцностi; 3 - максимально можлива змiна температури згiдно ЦП 0081
З рисунку 6 легко побачити, що мщшсть заднього стика хрестовини буде забезпечува-тися навт у тому випадку, якщо плт буде укладена не в рекомендований температурний дiапазон i буде витримувати поздовжню силу, еквiвалентну температурному зусиллю при рiзницi температур закрiплення та температури рейки при вимiрi зусиль. Стиковi болти зi сталi класу 10.9 будуть забезпечувати мщшсть заднього стика хрестовини при дп температу-рних зусиль навiть при укладанш безстикових
плiтей з заниженням рекомендованого температурного дiапазону на 10 °С. Тобто мЫмаль-на температура укладання безстиково'1 колп, що примикатиме до дослщного стрiлочного переводу, буде складати 15 °С.
На рисунках 7-9 показан залежностi ко-ефiцieнтiв запасу мiцностi вiд змши рiзницi температур рейки та температури закршлення плт для бол^в зi сталi класiв 5.6, 5.8, 6.6 вщ-повiдно.
Рисунок 7. - Графш залежностi коефiцieнту запасу мщносп вщ змiни рiзницi температур рейки та температури закршлення плт для бол^в зi сталi класу 5.6: 1 - коефщент запасу мщносп; 2 - граничний коефщент запасу мщносп
1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 20
32,5 35
Рiзниця температур, °С
Рисунок 8. - Графiк залежносп коефiцieнту запасу мiцностi вiд змши рiзницi температур рейки та температури закршлення плiтi для болтiв зi сталi класу 5.8: 1 - коефщент запасу мiцностi; 2 - граничний коефiцieнт запасу мiцностi
20
22,5
25
27,5
30
32,5 35
Р1зниця температур, °С
Рисунок 9. - Графш залежностi коефщенту запасу мiцностi вiд змiни рiзницi температур рейки та температури закршлення плт для болтiв зi сталi класу 6.6 1 - коефщент запасу мiцностi; 2 - граничний коефщент запасу мiцностi.
Аналiзуючи графши 7-9 можна зробити висновок, що болти зi сталi класу до 6.6 вклю-чно забезпечують мщшсть заднього стику хрестовини, при дп поздовжньо! сили, е^ва-лентно! дп температурно! сили у рейцi, при рiзницi температур закрiплення та температури рейки при вимiрi зусиль 20...25 °С. Тобто мiнiмальна температура укладання безстико-во! колп, що примикатиме до дослщного стрь лочного переводу, повинна складати 36.41 °С.
Враховуючи дiапазони температур на те-ритори Укра!ни та точнiсть вимiру температури рейок за д^чими методиками, можна зробити висновок, що мщшсть заднього стика хрестовини для вказаних клаав болпв знахо-дяться в одному температурному дiапазонi, а
результати е тотожними.
Наведен вище данi були отриманi при врахуванш нормативного моменту затягування болпв. Пiд час експлуатацп стиковi болти мо-жуть ослабнути i цим зменшити запас мщнос-тi заднього стика хрестовини. Тому був проведений розрахунок коефщента запасу мщносп заднього стика хрестовини без урахування сили тертя:
К =
аEFАt 008 у
^ УъАъпП
(12)
По результатах розрахунку були побудо-ванi графiки, якi зображеш на рисунках 10-11.
22,5
25
27,5
30
2
2
1,00
g 0,90 х
■Э'0,80
s
0,70 0,60
47,5 50
Рiзниця температур, °C
Рисунок 10. - Графш дослiдження впливу сили тертя на коефщент запасу мiцностi для бо-
лтiв 3i сталi класу 8.8:
1 - коефщент запасу мщносп з урахуванням сили тертя; 2 - граничний коефщент запасу мщносп; 3 - коефщент запасу мщносп без урахування сили тертя; 4 - максимально можлива
змша температури згщно ЦП 0081
Рисунок 11. - Графш дослiдження впливу сили тертя на коефщент запасу мщносп для бо-
лтiв зi сталi класу 10.9: 1 - коефщент запасу мiцностi з урахуванням сили тертя; 2 - граничний коефщент запасу мщносп; 3 - коефщент запасу мщносп без урахування сили тертя; 4 - максимально можлива
змша температури згщно ЦП 0081.
Проаналiзувавши рисунок 10 та рисунок 11, можна з упевнешстю сказати, що сила тертя слабко впливае на коефщент запасу мщносп заднього стика хрестовини на 3pi3, i, врахо-вуючи юнуючу методику вимiру температури та динамшу змiни температури рейки, силою тертя можна знехтувати для даного розрахун-ку. Крiм того, вплив сили тертя зменшуеться зi збiльшенням рiзницi температур рейки та температури закршлення плт, тому при неве-ликш рiзницi згадуваних температур сила тертя мае суттевий вплив на коефщент запасу мiцностi.
Сила тертя мiж рейкою та литою части-ною хрестовини несуттево впливае на коефщь
ент запасу мщносп для заднього стика дано1 хрестовини на зрiз при максимальнiй можли-вiй рiзницi температур рейки пщ час визна-чення зусилля та пщ час закрiплення плiтi на
шпалi 36 °С._
Висновки
При використанш болтiв зi сталi класiв 8.8 та 10.9 буде забезпечуватися мщшсть заднього стика хрестовини типу Р65 марки 1/11 проекту КС1002.00.000 при укладанш пштей безстиково'1 колп у рекомендованому дiапазонi температури закршлення [1]
При використанш бол^в зi сталi класу 10.9 буде забезпечуватися мщшсть заднього стика дано'1 хрестовини, навт, при укладанш
1,20
1,10
0,50
35
37,5
40
42,5
45
2
3
4
плiтей безстиково! коли з порушенням реко-мендованого температурного дiапазону [1] до 10 °С у сторону його пониження.
Для визначення ступеню впливу подов-ження рейково! плiтi в результат! вичерпання зазорiв мiж болтами та отворами в рейках на коефщент запасу мщносп заднього стика хрестовини необхщно провести додатковi роз-рахунки.
Б1бл1ограф1чний список
1 Технiчнi вказiвки по улаштуванню, укла-данню, ремонту i утриманню безстиково! коли на залiзницях Укра!ни. ЦП-0081 [Текст]: Затв.: Наказ Укрзалiзницi 25.01.02. №34-Ц / Мш-во трансп. та зв'язку Укра!ни. К., 2002. - 106 с.
2 Практичш рекомендаци щодо проведення вхщного контролю якостi матерiалiв верхньо! будови коли [Текст]: рекомендаци / за ред. В. О. Яковлева. - Д.: Дншропетр. нац. ун-т залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна, 2003. - 196 а
3 Протокол ради експертiв з техшчних пи-тань по темi 3 колшно! тематики: «Розробка матерiалiв по залiзобетонним шпалам, бру-сам та стршочним переводам» [Текст]. -Угорщина, 2000.
4 Стальные конструкции. СНиП 11-23-81 [Текст] Утв.: постановлением Госстроя СССР
14.08.81. №144 / Госстрой СССР - М.: 1990. - 96 с.
5 Взаимодействие пути и подвижного состава [Текст]: учебник для вузов ж.-д. трансп. / под ред. М. А. Фришмана. - , М.: Государственное транспортное ж. д. изд-во, 1956. - 181 с.
6 Правила розрахунюв залiзничноi коли на мщшсть i стшюсть. ЦП-0117 [Текст]: Затв.: Наказ Укрзалiзницi 13.12.04. № 960-Ц / Мш-во трансп. та зв'язку Укра!ни. К.: 2006. - 168 с.
7 Болты для рельсовых стыков железнодорожного пути. Технические условия. ГОСТ 11530-93 [Текст] Утв. Постановлением Комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации 02.06.94 №160 / Издательство стандартов. - М.:1994. -10 с.
Анотацн:
У цш статп дослвджуеться можливють роботи стрь лочного переводу проекту КС 1002.00.000 в безстико-вш колИ при дЦ температурний сил. Наведеш залежно-ст1 коефщенту запасу м1цност1 в1д класу стал1 болт1в.
В данной работе приводиться исследования безопасной работы стрелочного перевода проекта КС 1002.00.000 в бесстыковом пути по условию прочности заднего стыка крестовины при действии температурных усилий.
There is research work possibility a shunt point of the project KC 1002.00.000 with the long-welded rails in the article.
