CC BY
36
УДК 625.143.541
М. С. Чусовитин, К. С. Малышев
ИСПЫТАНИЕ РЕЛЬСОВОЙ ПОДКЛАДКИ НА ДЕРЕВЯННОЙ ШПАЛЕ
Дата поступления: 27.05.2016 Решение о публикации: 17.08.2016
Цель: Подтвердить эффективность и практическую применимость расчета прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале, разработанного на основе новой теоретической методики оценки прочности рельсовой подкладки. Методы: Произведен теоретический расчет прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале. Проведено лабораторное испытание рельсовой подкладки на деревянной шпале с использованием испытательной машины INSTRON SATEC 1200KN, с фиксацией результатов тензометрической станцией «Геркулес» и штангенциркулем Electronic Digital Caliper. Результаты: Получено подтверждение применимости новой методики расчёта прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале с учетом переменного сечения рельсовой подкладки. Получены значения прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале в зависимости от применяемой нагрузки. Практическая значимость: Применение данной методики оценки прочности рельсовых подкладок позволяет более точно определить запас прочности рельсовой подкладки с различными размерами на проектной стадии.
Деревянная шпала, прогиб, рельсовая подкладка, прочность, вертикальные перемещения.
Maksim S. Chusovitin, postgraduate student, [email protected]; *Konstatin S. Malyshev, postgraduate student, [email protected] (Petersburg State Transport University) TESTING OF RAIL PLATES FOR WOODEN SLEEPER
Objective: To confirm efficiency and practical applicability of a calculation method for deflection of rail plates for wooden sleeper which was developed on the basis of a new theoretical model for evaluation of rail plate bearing capacity. Methods: Theoretical calculation of deflection of rail plate for wooden sleeper was conducted. Laboratory testing of rail plate for wooden sleeper was conducted on test machine Instron Satec 1200KN, with results recorded by strain-gauge station Gerkules and by Electronic Digital Caliper. Results: A confirmation was obtained for applicability of the new calculation method for deflection of rail plate for wooden sleeper taking into account variable cross-section of a rail plate. Values for deflection of rail plate for wooden sleeper depending on applied pressure were obtained. Practical importance: Application of this method of evaluation of the bearing capacity of a rail plate for wooden sleeper allows for a more precise estimation of degree of safety of rail plates of various sizes at designing stage.
Wooden sleeper, deflection, rail plate, bearing capacity, vertical movements.
Традиционные методы расчета рельсовых прокладок на прочность используют упрощенную расчетную схему подкладки постоянного поперечного сечения, опирающейся на плоское основание, равномерно упругое по всей длине [1, 3, 4].
В 2012 г. Н. Н. Султанов и А. В. Колтаков предложили теоретический метод расчета прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале [5]. Они доработали методику расчета прогибов рельсовой подкладки, предложенную профессором С. П. Першиным в 1968 г.
12,5
29
/ Р
76,5 / 76
1 г _
Л / А
9 1
330
[10]. Для полноты оценки практических результатов лабораторного испытания произведем теоретические расчеты по схеме, указанной на рис. 1. Расчет произведен для нагрузки в 5, 10 и 15 т.
Теоретический расчет прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале
Итак, берем за основу следующие данные: расчётная нагрузка Р = 5 т; коэффициент постели шпал к (х) = 100 кг/см3; модуль продольной упругости стали Е = 2-105 МПа, делаем расчеты по известным формулам, используя дифференциальные зависимости [2, 13, 15]:
1) определим поперечные силы; сечение г = 0,03825 м
г 0.03825
д. qdх _ | 148636, =
0 0
= 148636,4 • (0,03825 - 0) = 5685,3 н;
2) определим значение момента сил; сечение г = 0,03825 м
г 0.03825
М _ | Qdх _ | qхdх _ 0 0
= 148636,4 • 0,038252 /2--148636,4• 02 /2 = 108,73 н• м;
3) определим угол поворота; сечение г = = 0,127 м
Рис. 1. Расчётная схема (размеры в мм)
148636,4 • (-0,076)3
в,=j
Mdx EI (x)
qx
2 • 3 • 2-105 1,416667 •Ю-8
148636,4 -(0 )3 _ 2• 3• 2•Ю5 • 1,416667•Ю-8 _ _ -0,003838 рад;
4) определим значение прогиба подкладки; сечение г = 0,03825 м
0,03825
qx
-0,076
2 EI ( x)
т_ г Шх _ г г Г0 Е1 (х) 0 6 • Е1 (х)
_ 148636,4 • (0,03825 )4 _ 6• 4• 2•Ю5 •Ю6 • 1,416667•Ю-8 148636,4 ^(0 )4 _
6• 4• 2•Ю5 •Ю6 • 1,416667•Ю-8 _ _ 0,0000516 м.
Таким образом рассчитаны параметры для каждого сечения. Аналогично произведены расчёты для нагрузок 10 и 15 т (табл. 1). Обобщённые результаты теоретического расчета прогибов рельсовой подкладки в сечениях 0,08275; 0,165; 0,24725 для рассматриваемых видов нагрузки приведены в табл. 2.
Практическое определение прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале
При лабораторных испытаниях вертикальные перемещения измерялись следующим образом: абсолютная линейная деформация фиксировалась испытательной машиной ШЗТКОК 8АТБС 1200КК с отображением данных на
0
0
ТАБЛИЦА 1. Расчёт прогибов рельсовой подкладки
X., м v ß н M, н-м г7 J(x), см 0., рад Y, м
При нагрузке 5 т при q., н/м, 148636,4
0,03825 5685,3 108,7321449 -0,009234 0,0000516
0,0765 11370,7 434,9285795 -0,003844 0,0008215
0,0765 11370,7 434,9285795 4,318885 -0,003844 0,0008215
0,08275 12299,7 508,8983949 -0,003839 0,0008215
0,089 13228,6 588,6743182 -0,003838 0,0008215
0,089 13228,6 588,6743182 1,416667 -0,003838 0,0008215
0,127 18876,8 1198,677955 -0,000480 0,0008261
0,165 24525,0 2023,3125 0,000000 0,0008945
0,165 -24525,0 2023,3125 1,416667 0,000000 0,0008945
0,203 -18876,8 1198,677955 0,000480 0,0008261
0,241 -13228,6 588,6743182 0,003838 0,0008215
0,241 -13228,6 588,6743182 4,318885 0,003838 0,0008215
0,24725 -12299,7 508,8983949 0,003839 0,0008215
0,2535 -11370,7 434,9285795 0,003844 0,0008215
0,2535 -11370,7 434,9285795 0,129094 0,003844 0,0008215
0,29175 -5685,3 108,7321449 0,009234 0,0000516
0,33 0 0 0,046800 0,0000000
При нагрузке 10 т при q., н/м, 297272,7
0 0 0 0,129094 -0,093599 0,0000000
0,03825 11370,7 217,4642898 -0,018469 0,0001032
0,0765 22741,4 869,8571591 -0,007687 0,0016431
0,0765 22741,4 869,8571591 4,318885 -0,007687 0,0016431
0,08275 24599,3 1017,79679 -0,007678 0,0016431
0,089 26457,3 1177,348636 -0,007676 0,0016431
0,089 26457,3 1177,348636 1,416667 -0,007676 0,0016431
0,127 37753,6 2397,355909 -0,000960 0,0016522
0,165 49050,0 4046,625 0,000000 0,0017889
0,165 -49050,0 4046,625 1,416667 0,000000 0,0017889
0,203 -37753,6 2397,355909 0,000960 0,0016522
0,241 -26457,3 1177,348636 0,007676 0,0016431
0,241 -26457,3 1177,348636 4,318885 0,007676 0,0016431
0,24725 -24599,3 1017,79679 0,007678 0,0016431
0,2535 -22741,4 869,8571591 0,007687 0,0016431
0,2535 -22741,4 869,8571591 0,129094 0,007687 0,0016431
0,29175 -11370,7 217,4642898 0,018469 0,0001032
0,33 0 0 0,093599 0,0000000
Окончание табл. 1
X., м V ß н M, н-м V J (x), см 0., рад Y, м i'
При нагрузке 15 т при q,, н/м, 445909,1
0,03825 17056,0 326,1964347 0,129094 -0,027703 0,0001548
0,0765 34112,0 1304,785739 -0,011531 0,0024646
0,0765 34112,0 1304,785739 4,318885 -0,011531 0,0024646
0,08275 36899,0 1526,695185 -0,011516 0,0024646
0,089 39685,9 1766,022955 -0,011514 0,0024646
0,089 39685,9 1766,022955 1,416667 -0,011514 0,0024646
0,127 56630,5 3596,033864 -0,001439 0,0024783
0,165 73575,0 6069,9375 0,000000 0,0026834
0,165 -73575,0 6069,9375 1,416667 0,000000 0,0026834
0,203 -56630,5 3596,033864 0,001439 0,0024783
0,241 -39685,9 1766,022955 0,011514 0,0024646
0,241 -39685,9 1766,022955 4,318885 0,011514 0,0024646
0,24725 -36899,0 1526,695185 0,011516 0,0024646
0,2535 -34112,0 1304,785739 0,011531 0,0024646
0,2535 -34112,0 1304,785739 0,129094 0,011531 0,0024646
0,29175 -17056,0 326,1964347 0,027703 0,0001548
0,33 0 0 0,140399 0,0000000
ТАБЛИЦА 2. Обобщение результатов теоретического расчёта прогибов рельсовой подкладки для трёх сечений
Сечение подкладки Приложенная нагрузка Р, т
5 10 15
0,08275 0,8215 мм 1,6431 мм 2,4646 мм
0,165 0,8945 мм 1,7889 мм 2,6834 мм
0,24725 08215 мм 1,6431 мм 2,4646 мм
графике зависимости нагрузки от удлинения (рис. 2). Также перемещения измерялись вертикальными стержнями, соединёнными с тен-зометрической станцией «Геркулес» (рис. 3). Схема приложения нагрузки к рельсовой подкладки соответствовала схеме теоретического расчета (см. рис. 1).
Профессор В. С. Лысюк [6-8] отметил, что при приложении нагрузки под рельсовой подкладкой волокна деревянной шпалы уплотняются, при этом зона наиболее интенсивного смятия древесины занимает всю центральную
часть площади подкладки. Во время лабораторного эксперимента фиксировалось смятие волокна древесины (рис. 4) и остаточное смятие волокна древесины деревянной шпалы после снятия приложенной нагрузки (рис. 5).
Принимая во внимание смятие волокна древесины [9], при приложении нагрузки расчёт вертикального перемещения сечений рельсовой подкладки на новой деревянной шпале будет складываться из двух составляющих: перемещения от изгиба подкладки относительно поверхности шпалы и величины
-6 -5 -4
Удлинение, mm
Рис. 2. Отображение данных испытательной машиной INSTRON SATEC 1200KN на графике зависимости нагрузки от удлинения
Рис. 3. График перемещения вертикальных стержней, фиксируемый тензометрической станцией «Геркулес», т. е. прогиб сечений рельсовой подкладки
Рис. 4. Смятие волокна древесины деревянной шпалы
Рис. 5. Остаточное смятие волокна древесины деревянной шпалы после снятия приложенной нагрузки
совместной деформации изогнутой рельсовой подкладки и основания (волокна древесины шпалы) [11]. Также на величину перемещения влияли зазоры между неровностями поверхностей элементов используемых материалов при испытаниях (между шпалой и основанием, между головкой рельса и поверхностью пресса и т. д.) [14]. Обобщённые результаты прогибов рельсовой подкладки в сечениях 0,08275; 0,165; 0,24725 для всех приложенных видов нагрузки при лабораторных испытаниях рельсовой подкладки приведены в табл. 3.
При лабораторном испытании для фиксации величины прогиба рельсовой подкладки
дополнительно промеряли ее штангенциркулем Electronic Digital Caliper. Измеряли расстояние между подошвой рельсовой подкладки и неподвижным основанием пресса испытательной машины в двух случаях: без приложения и с приложением нагрузки к рельсовой подкладке (5, 10 и 15 т). После вычисляли разницу между двумя измерениями, которая и являлась искомой величиной прогиба рельсовой подкладки на деревянной шпале при приложении нагрузки. Средние значения измеренного прогиба рельсовой подкладки для сечения 0,165 после обработки результатов [12] приведены в табл. 4.
ТАБЛИЦА 3. Обобщение усреднённых результатов лабораторных испытаний прогибов рельсовой подкладки для трёх сечений на новой шпале
Нагрузка, т Новая шпала, нагрузка по центру Новая шпала с резиновой прокладкой, нагрузка по центру
1 2 3 Абс. 1 2 3 Абс.
5 2,4 1,8 2,0 3,5 3,0 2,2 2,5 3,7
10 5,5 4,6 4,5 6 5,8 5,1 5,1 6
15 7,6 6,8 6 9 5,7 5,0 5,0 9,5
ТАБЛИЦА 4. Обобщение усреднённых результатов лабораторных испытаний прогибов рельсовой подкладки для сечения 0,165, измеренных штангенциркулем на новой шпале
Сечение Приложенная нагрузка Р, т
подкладки 0,165 5 10 15
Расчетное 0,9 1,8 2,7
Эксперимен- 1,4 1,9 2,3
тальное
Выводы
Теоретический метод расчета прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале позволяет корректно описать процесс прогиба рельсовой подкладки на деревянной шпале, что было доказано лабораторными испытаниями.
Полученные результаты вполне удовлетворительны. В теоретическом расчете учитывался прогиб подкладки без учета сжатия поперечных волокон древесины шпалы под нагрузкой. В лабораторном испытании величину сжатия волокна древесины не измеряли. В дальнейшем для расчета нужны теоретические исследования деформации основания. Кроме того, для учета необходимы экспериментальные исследования прогиба рельсовой подкладки на деревянной шпале в зависимости от вогнутой формы древесины под подкладкой (т. е. на деревянной шпале, имеющий износ древесины в зоне рельсовой подкладки).
Библиографический список
1. Абросимов В. И. Расчет стрелочной подкладки на прочность / В. И. Абросимов, Л. Н. Фролов, А. И. Лисков // Труды ЛИИЖТа. - 1969. -Вып. 296.
2. Елизаров С. В. Сопротивление материалов : базовый курс лекций / С. В. Елизаров, Ю. П. Капте-лин. - СПб. : Петербург. гос. ун-т путей сообщения, 2007. - 254 с.
3. Исследование деревянных шпал и скреплений для них / под ред. Г. М. Шахунянца // Труды МИИТа. - 1968. - Вып. 272.
4. Исследование работы подкладок стрелочных переводов при осевых нагрузках 30-50 тонн : науч.-техн. отчёт по теме № 22/(20-72) / Архив Ленпром-транспроект, инв. № 2783-73. - Л., 1973.
5. Колтаков А. В. Расчёт прогибов рельсовой подкладки на деревянной шпале / А. В. Колтаков, Н. Н. Султанов // Транспорт : наука, техника, управление. - 2012. - Вып. 4. - C. 47-49.
6. Лысюк В. С. Износ деревянных шпал и борьба с ним / В. С. Лысюк // Труды ВНИИЖТ. - 1971. -Вып. 445.
7. Лысюк В. С. Причины ослабления деревянных шпал в зонах рельсовой подкладок / В. С. Лы-сюк // Вестн. ЦНИИ. - 1961. - № 7.
8. Лысюк В. С. Прокладки защищают шпалы / В. С. Лысюк, Л. С. Лапкина, А. В. Каширин // Путь и путевое хозяйство. - 1966. - Вып. 12.
9. Павлов А. П. Местное смятие древесины / А. П. Павлов // Труды ЛИИЖТа. - 1956. - Вып. 150.
10. Першин С. П. Расчет рельсовых подкладок для деревянных шпал / С. П. Першин // Труды МИИТа. - 1968. - Вып. 272. - С. 46-61.
11. Попов В. В. Гниение шпал в пути и меры борьбы с ним / В. В. Попов // Труды ВНИИЖТ. -1967. - Вып. 329.
12. Румшиский Л. З. Математическая обработка результатов эксперимента / Л. З. Румшиский. - М. : Наука, 1971.
13. Снитко Н. К. Теория и расчет балок на упругом основании переменного сечения / Н. К. Снит-ко // Вестн. инженеров и техников. - 1935. - Вып. 8.
14. Титов В. П. Перемещения и деформации в конструкциях железнодорожного пути / В. П. Титов // Вестник ВНИИЖТ. - 1994. - № 6. - C. 8-16.
15. Тихонов А. Н. Дифференциальные уравнения / А. Н. Тихонов, А. Б. Васильева, А. Г. Свешников. - М. : Наука, 1980.
References
1. Abrosimov V. I., Frolov L. N. & Liskov A. I. Ra-schet strelochnoy podkladki na prochnost [Strength Calculation of Switch Plate]. Trudy LIIZhTa -Proc. of Leningrad Railway Transp. Eng. Inst., 1969, Is. 296.
2. Yelizarov S. V. & Kaptelin Yu. P. Soprotivleniye materialov: bazovyy kurs lektsiy [Resistance of Materials: Basic Lecture Course]. St. Petersburg, PGUPS, 2007. 254 p.
3. Issledovaniye derevyannykh shpal i skrepleniy dlya nikh [Study of Wooden Sleepers and Clamps for Them]; ed. G. M. Shakhunyants. Trudy MIITa -Proc. of MUT, 1968, Is. 272.
4. Issledovaniye raboty podkladok strelochnykh perevodov pri osevykh nagruzkakh 30-50 tonn [Study into Operation of Switch Plates under Axial Loads of 30-50 Tonnes]. Scientific and engineering report on the subject N 22/(20-72). Lenprom-transproyekt archive, inv. N 2783-73. Leningrad, 1973.
5. Koltakov A. V. & Sultanov N. N. Transport: nau-ka, tekhnika, upravleniye - Transport: Science, Engineering, Management, 2012, Is. 4, pp. 47-49.
6. Lysyuk V. S. Iznos derevyannykh shpal i borba s nim [Wooden Sleeper Wear and Fight against It]. Trudy VNIIZhTa - Proc. of VNIIZhT, 1971, Is. 445.
7. Lysyuk V. S. Prichiny oslableniya derevyannykh shpal v zonakh relsovykh podkladok [Causes of Degeneration of Wooden Sleepers in Rail Plate Zone]. Vestnik TsNII- TsNIIBull., 1961, no. 7.
8. Lysyuk V. S., Lapkina L. S. & Kashirin A. V. Prokladki zashchishchayut shpaly [Plates Protect
Sleepers]. Put i putevoye khozyaystvo - Track and Track Facilities, 1966, Is. 12.
9. Pavlov A. P. Mestnoye smyatiye drevesiny [Wood Buckling]. Trudy LIIZhTa - Proc. of Leningrad Railway Transp. Eng. Inst., 1956, Is. 150.
10. Pershin S. P. Raschet relsovykh podkladok dlya derevyannykh shpal [Calculations of Rail Plates for Wooden Sleepers]. Trudy MIITa - Proc. ofMIIT, 1968, Is. 272, pp. 46-61.
11. Popov V. V. Gniyeniye shpal v puti i mery borby s nim [Rotting of Sleepers on the Tracks and Measures to Fight against It]. Trudy VNIIZhTa - Proc. of VNIIZhT, 1967, Is. 329.
12. Rumshiskiy L. Z. Matematicheskaya obrabot-ka rezultatov eksperimenta [Mathematical Processing of Experimental Results]. Moscow, Nauka, 1971.
13. Snitko N. K. Teoriya i raschet balok na up-rugom osnovanii peremennogo secheniya [Theory and Calculation of Beams on Elastic Cushion of Variable Cross-Section]. Vestnik inzhenerov i tekhnikov - Eng. and Tech. Bull., 1935, Is. 8.
14. Titov V. P. Vestnik VNIIZhT - VNIIZhT Bull., 1994, no. 6, pp. 8-16.
15. Tikhonov A. N., Vasilyeva A. B. & Sveshnik-ov A. G. Differentsialnyye uravneniya [Differential Equations]. Moscow, Nauka, 1980.
ЧУСОВИТИН Максим Сергеевич - аспирант, [email protected], *МАЛЫШЕВ Константин Сергеевич - аспирант, [email protected]. (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
