CC BY
94
УДК 625.143.5:625.151:517.9
В. В. ГОВОРУХА (ИГТМ им. Н. С. Полякова НАН Украины)
ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ, ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАЦИИ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ
Розглянуто проблему створення пружного рейкового скршлення для швидшсного руху погадв. Викладе-н методи дослвдження навантаженостi та пружно-деформованого стану пружних клем. Наведенi результати дослщжень впливу параметрiв та форми пружних клем на !х працездатшсть.
Рассмотрена проблема создания упругого рельсового скрепления для скоростного движения поездов. Изложены методы исследования нагруженности и напряжонно-деформированного состояния упругих клемм. Представлены результаты исследований влияния параметров и формы упругих клемм на их работоспособность.
The problem of creation of resilient rail fastening is considered for high-speed train services. The article describes the research methods of loading and resiliently-deformed state of resilient terminals and presents the results of investigation of the influence of parameters and form of the resilient terminals on their capacity.
Для повышения надежности и работоспособности рельсового пути, снижения динамического взаимодействия пути и подвижного состава, а также для уменьшения капитальных затрат и эксплуатационных расходов в международной и отечественной практике получили широкое применение упругие элементы промежуточных скреплений, в особенности упругие клеммы простого и сложного очертания или формы.
Вопросам создания и внедрения конструкций упругих промежуточных скреплений и упругих клемм этих скреплений уделено большое внимание. В ряде работ [1-48; 54] опубликованы результаты исследований и разработаны технические условия, которые направлены на создание элементов упругих промежуточных скреплений и упругих клемм.
В настоящей работе представлены результаты исследования напряженно-деформированного состояния упругих клемм различных конструкций упругих промежуточных скреплений рельсового пути и стрелочных переводов, создаваемых ИГТМ НАН Украины и НКТБ ЦП УЗ в период 1994-2004 гг. [1-33].
Для оценки напряженно-деформированного состояния упругих клемм различного очертания и формы в данной работе использовался метод конечных элементов (МКЭ) [49; 55].
С помощью этого метода учтены геометрические формы и реальные условия работы конструкции, распределение внешних нагрузок, условия закрепления, а также механические свойства используемых материалов.
Моделирование работы клемм при эксплуатационных нагрузках выполнялось с применением специализированного проектно-вычислительного комплекса SCAD.
Для оценки прочности элементов конструкции, работающих в условиях сложного напряженного состояния, характеризующегося главными напряжениями с^ С2, С3, использована гипотеза (теория прочности), которая предусматривает возможность сопоставления некоторого эквивалентного напряжения се с пределом с0, который соответствует простому одноосному растяжению. Условие, характеризующее отсутствие предельного состояния в материале, представляется в виде
св = f (с1 ' с2-с3 • £1-£п )<С0+ , (1)
где £"1,...,кп - некоторые константы, зависящие от используемой теории прочности [49].
В расчете использовалась теория октаэдриче-ских касательных напряжений или удельной потенциальной энергии формоизменения, которая нашла широкое применение для оценки прочности упругопластичных материалов и хорошо подтверждается экспериментально. Согласно этой теории се находится из соотношения
)2 +(2 )2 +
1/2
)
(2)
+ (с3 -с1)
а условие прочности может быть записано в виде Се <[с], (3)
где [с] - допускаемые напряжения для материала, из которого изготовлена конструкция клеммы.
Допустимые напряжения для исследуемых клемм приняты с пределом текучести
1
ав = сг1 =
[ст,02 ] = 1570 МПа
и пределом прочности
[се ] = 1710 МПа,
твердостью по Бринеллю (НВ) не более -47...50, в соответствии с материалом высокопрочной и пружинной стали марки 60С2А [50].
В основу исследований положено требование, что усилие прижатия подошвы рельса одной клеммой должно быть равно нормативной нагрузке - 12,5 кН [51; 52; 55].
При значительном многообразии экспериментальных и промышленных образцов упругих клемм и упругих промежуточных скреплений, разработанных в Украине [1-33], их можно разделить на три основные группы, представленные на рис. 1-7.
К первой группе относятся безболтовые клеммно-анкерные скрепления с упругими клеммами типов КП-1; КП-5 (рис. 1, а, б) и КПТ-7 (рис. 2, а) [1-5], фиксация которых осуществляется в головке независимого анкера. При этом, в скреплениях типов КПП-1, КПП-5 (рис. 1, в), и КППТ-7 (рис. 2, б) [21-23; 25; 26] анкеры омо-ноличены в железобетонных шпалах [15], а в скреплении типа КППДТ-7 (рис. 2, в) головки анкеров приварены к подкладке.
Крепление подкладки в этом скреплении осуществляется к деревянной шпале с помощью шурупов.
а
а
б
б
в
в
Рис. 1. Скрепления типов КПП-1 и КПП-5:
а - клемма типа КП-1; б - клемма типа КП-5; в - скрепления типов КПП-1 и КПП-5
Рис. 2. Скрепления типа КППТ-7 и КППДТ-7:
а - клемма типа КПТ-7; б - скрепление типа КППТ-7; в - скрепление типа КППДТ-7
К этой группе следует также отнести безболтовое клеммно-подкладочное скрепление в стрелочной и контррельсовых частях стрелочных переводов, где используются относительно плоские клеммы типа КП-3 (рис. 3, а) [19-20; 24]. Крепление этих клемм осуществляется непосредственно с помощью специальных упорных проемов в зоне стрелочных подкладок-подушек или контррельсовых подкладок и стоек контррельсов (рис. 3, б, в).
Рис. 3. Скрепления типа КПП-3:
а - клемма типа КП-3; б - скрепление в стрелочной части; в - скрепление в контррельсовой части
Ко второй группе относятся клеммно-болтовые промежуточные скрепления с упругими клеммами типа КП-2 (рис. 4, а) [19; 20], крепление которых осуществляется с помощью клемм-ных болтов, фиксируемых в ребордах подкладок. Крепление подкладок к железобетонным шпалам или брусьям осуществляется с помощью закладных болтов, к примеру, в скреплении типа КПП-2 (рис. 4, б) или к деревянным шпалам, а также брусьям, где крепление подкладок осуществляется с помощью шурупов, к примеру, в скреплении типа КППД-2 (рис. 4, в) [32].
Упругие клеммы типа КП-2 могут иметь различную форму или диаметр прутка, например, в исследуемых клеммах типа КП-2-1 и КП-2-2.
Рис. 4. Скрепление типа КПП-2:
а - скрепление типа КПП-2; б - скрепление типа КППД-2; в - клемма типа КП-2
Третья группа включает объединенные клеммно-шурупные (или клеммно-болтовые) промежуточные упругие скрепления с парными прикрепителями на каждую клемму, где одна часть клеммы крепится к шпале с помощью шурупа или закладного болта, а две следующие части упираются независимо: одна - в подошву рельса, другая - в шпалу посредством изоляционной прокладки. В этих скреплениях регулируется сила прижатия клеммы с помощью перемещения шурупного или болтового прикрепителя. К этой группе относятся упругие скрепления, условно названные в первом упоминании о их создании автором [5], типов КПП-13 (рис. 5, б); КПП-14 (рис. 6, б) и КПП-15 (рис. 7, б). В этих промежуточных скреплениях упругие клеммы типов КП-13 (рис. 5, а), КП-14 (рис. 6, а) и КП-15 (рис. 7, а) имеют разную форму изгиба прутка
каждой из трех частей клемм. Одна часть располагается под прикрепителем, вторая часть опирается на шпалу посредством изоляционной прокладки и третья часть опирается на подошву рельса. Между этими частями пруток имеет форму переходящей кривизны.
Рис. 5. Скрепление типа КПП-13:
- клемма типа КП-13; б - скрепление типа КПП-13
Рис. 6. Скрепление типа КПП-14:
- клемма типа КП-14; б - скрепление типа КПП-14
Рис. 7. Скрепление типа КПП-15:
а - клемма типа КП-15; б - скрепление типа КПП-15
Для определения рациональных параметров упругих клемм и скреплений проведено исследование нагруженности и напряженно-деформированного состояния клемм новых конструкций типов КП-1; КП-5; КПТ-7; КП-3; КП-2; КП-13; КП-14, КП-15 и им аналогичных. При этом предусмотрены варианты исследований с учетом изменений, как различной формы изгиба прутка, так и изменением расстояний от оси прикрепителей до центров мест опирания на подошву рельса, а также на шпалу через прокладку. Рассмотрены также варианты с различным диаметром прутка. Результаты этих исследований представлены в табл.
Упругие клеммы типа КП-1 и КП-5. Исследования проводились для двух видов нагру-жения. Во-первых, для «рабочего» режима, когда в точке контакта средней части клеммы (носика) и подошвы рельса прикладывалась «рабочая» нормативная нагрузка величиной 12,5 кН, а на опорах формировалась соответствующая реактивная нагрузка. Во-вторых, для «монтажного» режима, когда к свободному от фиксации концу клеммы прикладывалась «монтажная» горизонтальная (поперечная) нагрузка, обеспечивающая технологическое поперечное перемещение свободного конца клеммы на величину 16,5 мм. При этом вертикальные перемещения (¿) точки контакта клеммы с рельсом соответственно для клемм типов КП-1 и КП-5 равнялись 6,41 и 6,15 мм, а перемещения (у), направленные от рельса по оси (У) соответственно -2,5 и -2,36 мм.
а
а
Таблица
Характеристика напряженно-деформированного состояния и нагруженности упругих клемм
№ п/п Тип клеммы, мм Максимальные эквивалентные напряжения, МПа Максимальные перемещения клеммы в точке контакта с подошвой рельса по направлениям координатных осей, мм Жесткость клеммы в точке контакта г подошвой рельса кН/мм Требуемая сила затяжки шурупа или болта, кН Перемещения клеммы под головкой шурупа или болта, мм Жесткость клеммы под головкой шурупа или болта, кН/мм Сила нагру-жения клеммы на шпалу через прокладку, кН
ст1У X Y Z
КП-1, 0 16 «рабочий режим» 1 580 0 -2,5 6,41 1,95 - - - -
1 КП-1, 0 16 «монтажный режим» 1 450 7,35 (поперечная монтажная нагрузка) 8,2 х 2 (поперечные перемещения от монтажной нагрузки) 0,45 (поперечная жесткость клеммы)
КП-5, 0 16 «рабочий режим» 1 557 0 -2,36 6,15 2.03 - - - -
2 КП-5, 0 16 «монтажный режим» 1 340 6,63 (поперечная монтажная нагрузка) 8,25x2 (поперечные перемещения от монтажной нагрузки) 0,40 (поперечная жесткость клеммы)
3 КГТГ-7, 0 16 2 239 0 -3,2 14,4 0,868 - - - -
4 КП-2, 0 14 2 268 -0,32 -0,42 11,7 1,07 28,1 -10,40 2,70 15,60
5 КП-2-1, 0 13 2 209 -0,52 -0,29 14,3 0,87 26,1 -13,20 1,98 13,60
6 КП-2-2, 0 14 1 989 -0,43 -0,48 11,0 1,14 27,3 -9,95 2,74 14,80
7 КП-3, 0 16 1 491 -0,08 -0,21 5,78 2,16 19,3 -3,90 4,95 6,80
8 КП-13, 0 16 1 544 0 0,46 8,3 1,51 11,91 -5,82 2,05 11,32
9 КП-13-1,0 16 2 683 0 1,71 26,1 0,48 13,5 -14,00 0,96 14,50
10 КП-13-2, 0 16 2 366 0 0,26 19,5 0,64 10,6 -11,70 0,91 8,70
11 КП-13-3, 0 16 2 195 0 0,97 18,0 0,69 10,9 -10,00 1,09 9,30
12 КП-14-1, 0 14 3 674 0 1,62 43,9 0,28 11,6 -23,10 0,50 10,70
13 КП-14-2, 0 16 1 499 0 0,16 6,75 1,85 11,9 -4,11 2,90 11,30
14 КП-15, 0 14 2 098 0 0,44 11,91 1,05 10,41 -9,38 1,11 8,32
15 КП-15-1, 0 14 1 754 0 0,69 7,23 1,73 10,05 -6,70 1,50 7,60
16 КП-15-2, 0 16 1 249 0 -0,16 4,82 2,59 10,05 -4,21 2,39 7,60
Максимальные напряжения в «рабочем режиме» нагружения силой величиной 12,5 кН для обоих типов клемм отличаются незначительно и составляют в клемме типа КП-1 величину 1 580 МПа, а в клемме типа КП-5 величину 1 557 МПа.
Максимальные напряжения в «монтажном режиме» нагружения для обеспечения общей деформации (технологической раздвижки) 16,5 мм, составляют в клемме типа КП-1 величину с1¥ = 1450 МПа, а в клемме типа КП-
5 величину с™ = 1340 МПа.
Технологическая «монтажная» поперечная нагрузка при установке клемм в рабочее положение с раздвижкой концевых участков на 16,5 мм составила для клемм типа КП-1 7,35 кН, а для клемм типа КП-5 6,63 кН.
Поперечная жесткость между концевыми участками клемм при деформации 16,5 мм, в «монтажном режиме» в клеммах типа КП-5 (0,40 кН/мм) ниже по сравнению с аналогичными данными для клемм типа КП-1 (0,45 кН/мм).
Учитывая преимущества показателей напряженно-деформированного состояния клемм типа КП-5 по сравнению с клеммами типа КП-1, отмеченные ранее в п.п. 1-3 клеммы типа КП-5 имеют лучшую работоспособность, в особенности при циклическом «монтажном» нагружении при технологической «сборке-разборке» узла промежуточного скрепления на звеносборочных базах и в эксплуатационных условиях на рельсовом пути.
Упругие клеммы типа КПТ-7. Для определения нагруженности и напряженно-деформированного состояния этой упругой клеммы нагружение осуществлялось нормативной нагрузкой 12,5 кН, приложенной в средней части (носика) клеммы, где имеется место контакта клеммы и подошвы рельса посредством изолирующего вкладыша.
От действия нормативной нагрузки между средней частью клеммы и подошвой рельса происходит вертикальная деформация точки взаимного контакта клеммы и подошвы рельса на величину г = 14,4 мм, а максимальные эквивалентные напряжения, равные с^ = 2 239 МПа. При этом имеет место перенапряжение клеммы в опасном сечении, поскольку допустимые напряжения по пределу текучести [ст02 ] = 1570 МПа и по пределу прочности
[св ] = 1710 МПа.
При уменьшении величины прижатия клеммы до 9,55 кН вместо 12,5 кН величина деформации в зоне контакта клеммы и подошвы рельса составляет 11,0 мм, а напряже-
ние с1¥ =1710 Мпа, что соответствует пределу прочности [св ] =1710 МПа.
Упругие клеммы типа КП-3. В результате исследований получены величины перемещений клеммы типа КП-3 в «монтажном» режиме, включая точку опирания в стойку контррельса или в консоли подкладки-подушки, где условно воздействует сила 19,3 кН, которая формирует прижатие концов клеммы к подошве рельса нормативной силой 12,5 кН. При этом величина условной вертикальной деформации клеммы в точке контакта 3,9 мм. Жесткость клеммы в этой точке 4,95 кН/мм. Максимальные эквивалентные напряжения с1¥ = 1491 МПа и не превышают допустимых [ст 02 ] = 1570 МПа.
При воздействии нормативной нагрузки 12,5 кН в месте контакта клеммы и подошвы величина вертикальных перемещений концевых участков клеммы г = 5,78 мм. Жесткость клеммы в точке контакта с подошвой рельса 2,16 кН/мм.
Величины жесткости клемм в точках взаимного контакта клеммы с подошвой рельса и с опорными элементами на подкладках-подушках или стойках контррельсов несколько завышены, особенно в точках опирания в проемах подкладки-подушки и стойки контррельса. Такое значение жесткости 4,95 кН/мм в зонах размещения проемов для опирания клеммы требует, прежде всего, высокой точности обработки и соблюдения координат фиксированного положения клеммы в проеме.
Упругие клеммы типа КП-2. Для базового варианта исследований принята клемма типа КП-2, имеющая диаметр поперечного сечения прутка диаметром 14 мм, а наклон задней стенки к вертикальной плоскости равен углу а = 7° . В следующих вариантах исследований угол наклона задней стенки клеммы принят а = 0°. В этих случаях принято условное обозначение клеммы с диаметром прутка 13 мм и углом а = 0° - КП-2-1, а с диаметром прутка 14 мм и углом а = 0° - КП-2-2.
По результатам приведенных выше исследований этих клемм получено, что при обеспечении требуемой величины нормативной нагрузки, равной 12,5 кН, в месте контакта концевых участков клеммы и подошвы рельса, величина наибольших эквивалентных напряжений (с1¥) для всех исследуемых вариантов клемм превышает допустимые напряжения. Так, величина максимальных эквивалентных напряжений по IV теории прочности для вариантов клемм типа
КП-2 и КП-2-1 составила соответственно 2 268 и 2 204 МПа, при допустимых напряжениях по пределу текучести [ст02 ] = 1570 МПа и по
пределу прочности [св ] = 1710 МПа. Для варианта клеммы типа КП-2-2, с учетом диаметра прутка 14 мм и угла наклона задней стенки клеммы равному нулю (а = 0°), максимальное эквивалентное напряжение по IV теории прочности составило 1 989 МПа. Полученная величина напряжения при этом на 20 % меньше, чем в предыдущих вариантах, однако, превышает допустимые напряжения.
Установлено, что величины деформаций клемм типов КП-2; КП-2-1 и КП-2-2 в месте контакта с клеммными болтами, при равных условиях создания нагружения, равны соответственно г = -10,7, г = -13,2 и г = -9,95 мм, а сила затяжки клемм клеммными болтами равна соответственно 28,1, 26,1 и 27,3 кН. Жесткость клемм в точке затяжки клеммных болтов равна 2,7, 1,98 и 2,74 кН/мм. Величины деформаций концевых участков клеммы в месте контакта с подошвой рельса, при равных условиях на-гружения нормативной нагрузкой величиной 12,5 кН равны соответственно г = 11,7; г=14,8 и г = 11,0 мм. Жесткость клемм в точке контакта концевых участков клемм и подошвы рельса равны 1,07, 0,87 и 1,14 кН/мм.
Из приведенных результатов видно, что форма и геометрические параметры клемм типов КП-2-1 и КП-2-2 являются более рациональными по сравнению с клеммой типа КП-2, поскольку расположение задних участков клемм в вертикальной плоскости (а = 0°) позволяет уменьшить изгибающий и крутящий моменты, создаваемые прикладываемым усилием затяжки клеммного болта. Это приводит к снижению максимальных эквивалентных напряжений в наиболее напряженной точке задней стенки клеммы, а также к перераспределению суммарных эквивалентных напряжений.
Отсутствие разрушения клемм типа КП-2-2 в эксплуатации происходит из-за недожатия клемм до нормативной величины силы прижатия к подошве рельса ЯА2 = 12,5 кН. Для
обеспечения работы клеммы с соблюдением фактических эквивалентных напряжений, непревышающих предел текучести [с т 02 ] = 1570 МПа,
изменятся все показатели работы клеммы. В этом случае величина прижатия клеммой подошвы рельса уменьшится до 9,86 вместо 12,5 кН, а перемещение клеммы под головкой болта уменьшится до 7,85, вместо 11,0 мм и сила затяжки болта уменьшится до 21,5, вместо 27,3 кН.
Дальнейшее совершенствование конструкции клемм по аналогии с исследуемым образцом клемм типа КП-2-2 привело к улучшению их работоспособности в эксплуатационных условиях [7; 13; 17; 19; 20].
Упругие клеммы типа КП-13 упругого скрепления типа КПП-13 впервые описаны в 2003 г. в работе [5] и так условно названы автором по первому упоминанию. В 2003 г. в технических условиях [54] конструкция этой клеммы названа КП-7.
В данной работе представлены исследования напряженно-деформированного состояния нескольких видов клемм этого типа, которые выполнены из круглого прутка диаметром 16 мм и имеют сложную пространственную форму. Клеммы этого типа, а также упругого промежуточного скрепления типа КПП-13 являются принципиально новой конструкцией [5].
По результатам исследований получено, что создание нормативной нагрузки в местах прижатия клемм к подошве рельса величиной 12,5 кН обеспечивается посредством воздействия от прикрепителей (шуруп или болт) на клеммы типов КП-13; КП-13-1; КП-13-2 и КП-13-3 монтажной нагрузки равной соответственно 11,91, 13,5, 19,5 и 7,92 кН. При этом величины вертикальных упругих перемещений в местах действия прикрепителей для указанных типов клемм равны 5,82, 14,0, 11,3 и 10,0 мм, а величины жесткости клемм в местах действия прикрепи-телей, также равны 2,05, 0,96, 1,72, 0,79 кН/мм. Величины наибольших эквивалентных напря-"Г IV ч
жений (с ) в опасном сечении клеммы для исследуемых вариантов соответственно указанной выше последовательности, равны 1 544, 2 683, 2 360 и 2 195 МПа.
Величины деформаций участков клемм в месте контакта с подошвой рельса при одинаковых условиях нагружения нормативной нагрузкой 12,5 кН равны для указанных клемм соответственно 8,3, 26,1, 19,5 и 18,0 мм, а жесткости клемм в точке их контакта с подошвой рельса равны 1,51, 0,48, 0,64 и 0,69 кН/мм.
Форма, плавные переходы кривизны и геометрические параметры клеммы типа КП-13 являются более рацоинальными, по сравнению с исследуемыми клеммами аналогичной формы типов КП-13-1; КП-13-2 и КП-13-3 по состоянию напряженно-деформированного состояния и нагруженности на прикрепители. При этом,
наибольшие эквивалентные напряжения (с^) в опасном сечении клеммы типа КП-13 равны 1 544 МПа при допустимых напряжениях по пределу текучести [ст02 ] = 1570 МПа. В остальных трех типах клемм наибольшие напряжения в опасных точках превышают допустимые.
Нагруженность на прикрепители в скреплении типа КПП-13 с клеммой типа КП-13 составляет 11,91 кН, в то время, как в остальных конструктивных решениях клемм нагрузки находятся в пределах 7,92... 19,5 кН. При этом, нагруженность на прикрепители увеличивается, с увеличением численного отношения общей величины расстояния между точкой опирания клеммы на подошву рельса и точкой опирания клеммы на шпалу (посредством прокладки) до величины расстояния между осью прикрепите-ля и точкой опирания клеммы на шпалу.
Клемма типа КП-13 имеет наибольшую жесткость в зоне действия прикрепителя (2,05 кН/мм) в связи с малой величиной перемещения клеммы в этом месте (5,82 мм) при нагрузке от прикрепителя величиной 11,91 кН. Жесткость клемм в зоне прикрепителя для остальных типов этой модели находится в пределах 0,79.1,00 кН/мм.
Клеммы типа КП-13 имеют наибольшую жесткость в зоне совместного контакта с подошвой рельса (1,51 кН/мм) в связи с малой величиной деформации (8,3 мм) от действия нормативной нагрузки (12,5 кН). Жесткость остальных клемм в зоне их контакта с подошвой рельса находится в пределах 0,48.0,69 кН/мм. Малая величина жесткости этих клемм и большая величина перемещений связана с большой величиной расстояния между точкой опирания клеммы на подошву рельса и точкой опирания на шпалу равной 104.116 мм при том, что у клеммы типа КП-13 это расстояние равно величине 74 мм.
Упругие клеммы типа КП-14. В работе представлены исследования двух видов клемм этого типа, которые выполнены из круглого прутка диаметром 14 и 16 мм и имеют сложную пространственную форму. Клеммы этих типов КП-14-1 и КП-14-2 являются также принципиально новой конструкцией.
При исследовании создание нормативной нагрузки в местах контакта клеммы к подошве рельса величиной 12,5 кН обеспечивалось при воздействии от прикрепителей на клеммы типа КП-14-1 и КП-14-2 «монтажной» нагрузки, равной, соответственно, 11,6 и 11,9 кН. При этом величины вертикальных упругих перемещений в местах действия прикрепителей равны -23,10 и -4,11 мм, а величины жесткости клемм в местах действия прикрепителей также, равны 0,5 и 2,9 кН/мм.
Величины эквивалентных напряжений (с1¥) в опасном сечении клеммы для исследуемых вариантов клемм равны, соответственно, 3 674 и 1 499 МПа.
Величины деформации участков клемм в месте контакта с подошвой рельса при одинаковых условиях нагружения нормативной нагрузкой величиной 12,5 кН равны для исследуемых типов клемм, соответственно, 43,9 и 6,75 мм, а жесткости клемм в этих местах равны 0,28 и 1,85 кН/мм.
Форма и геометрические параметры клеммы типа КП-14-2 являются более рациональными по сравнению с аналогичными клеммами типа КП-14-1, по состоянию напряженного состояния клемм. При этом, напряжения (с1¥) в клемме типа КП-14-2 равны 1 499 МПа и не превышают допустимых напряжений по пределу текучести [ст02 ] = 1570 МПа. В клемме типа
КП-14-1 максимальные напряжения значительно превышают допустимые (3 674 > 1570 МПа).
Нагруженность на прикрепители в скреплениях типа КП-14-1 и КП-14-2 составляют, соответственно, 11,6 и 11,9 кН и разница между нагрузками незначительна в связи с незначительной разницей в соотношениях между расстоянием между точками опирания клеммы на подошву рельса и на шпалу и расстоянием между точками опирания клеммы на шпалу и на прикрепитель.
Упругие клеммы типа КП-15. В работе представлены исследования трех вариантов клемм этого типа, которые выполнены из прутка диаметром 14 и 16 мм. Клеммы этих типов КП-15; КП-15-1 и КП-15-2 являются также принципиально новой конструкцией.
При исследовании создание нормативной нагрузки величиной 12,5 кН в местах контакта клеммы с подошвой рельса обеспечивалось при воздействии прикрепителями на клеммы типов КП-15; КП-15-1 и КП-15-2 «монтажной» нагрузки, равной, соответственно, 10,41, 10,05, и 10,05 кН. При этом величины вертикальных упругих перемещений в местах действия прикре-пителей равны -9,38; -6,7 и -4,21 мм, а величины жесткости клемм в местах действия прикре-пителей также равны 1,11, 1,5 и 2,39 кН/мм.
Величины эквивалентных напряжений (с1¥) в опасном сечении каждой из исследуемых клемм равны 2 098, 1 754 и 1 249 МПа.
Величины деформации клемм в месте контакта с подошвой рельса при одинаковых условиях нагружения нормативной нагрузкой 12,5 кН для исследуемых типов клемм, соответственно, равны 11,91, 7,23 и 4,82 мм, а жесткость клемм в этих местах равны 1,05, 1,73 и 2,59 кН/мм.
Установлено, что при одинаковых величинах расстояний между прикрепителем и точка-
ми опирания клеммы на подошву рельса и шпалу для исследуемых вариантов имеет место уменьшение максимальных напряжений в клеммах типов КП-15-1 и КП-15-2 (1 754 и 1 249 МПа) по сравнению с клеммами типа КП-15 (2 098 МПа). Причиной этому является уполаживание формы боковых частей этих клемм с их понижением по сравнению с формой, имеющей приподнятость к верху боковых частей у клемм типа КП-15. Уменьшение напряжений у клемм типа КП-15-2 (1 249 МПа) по сравнению с клеммами типа КП-15-1 (1754 МПа) связано с увеличением диаметра прутка до 16 вместо 14 мм, поскольку все остальные геометрические параметры этих клемм одинаковы.
Нагруженность на прикрепители в исследуемых типах клемм, в основном, одинакова (10,41, 10,05, 10,05 кН). Причиной этому является одинаковые расстояния между прикрепи-телями и точками опирания клемм на подошву рельса 61 мм и опирания на шпалу 61 мм.
Клемма типа КП-15-2 имеет малые перемещения и повышенную жесткость в месте контакта ее с подошвой рельса (4,82 и 2,59 кН/мм), а также в месте контакта с прикрепителем (-4,21, 2,39 кН/мм), несмотря на то, что максимальные напряжения меньше допустимых (1249 < 1570 МПа). Клемма типа КП-15 имеет хорошие показатели перемещений и жесткости в месте контакта с подошвой рельса (11,91, 1,05 кН/мм) и в месте контакта с при-крепителем (-9,38, 1,11 кН/мм), однако максимальные напряжения превышают допустимые (2 098 > 1570 МПа). Клемма типа КП-15-1 по напряженно-деформированному состоянию имеет промежуточное положение между клеммами типа КП-15 и КП-15-2, однако, максимальные напряжения превышают допустимые, т. е. 1754 > 1570 МПа.
Выводы
С помощью метода конечных элементов проведены теоретические исследования нагруженно-сти и напряженно-деформированного состояния большого количества вариантов упругих клемм, имеющих различные параметры, форму и пространственную траекторию геометрической оси прутка клемм применительно к конструктивным решениям промежуточных рельсовых скреплений путевой структуры. Полученные результаты позволили решать ряд задач механики прочности рельсовых скреплений: установление рациональных параметров конструкции, определение характеристик упругости,
получение показателей нагруженности и напряженности, выявление мест возможных разрушений и причин накопления остаточных деформаций и разрушений элементов промежуточных скреплений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Говоруха В. В. Создание и внедрение упругих элементов промежуточного скрепления рельсового пути // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Вип. 2 -Д.: Вид-во Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. ш. акад. В. Лазаряна, 2003. - С. 162-171.
2. Говоруха В. В. Современные конструкции промежуточных рельсовых скреплений // Геотехническая механика. - Вып. 31. - Д.: Полиграфист, 2002. - С. 49-77.
3. Говоруха В. В. Упругие элементы промежуточных рельсовых скреплений // Геотехническая механика. - Вып. 31. - Д.: Полиграфист, 2002. - С. 78-94.
4. Говоруха В. В. Создание стрелочной железобетонной и смежной продукции для скоростного движения поездов // Геотехническая механика. -Вып. 31. - Д.: Полиграфист, 2002. - С. 201-207.
5. Говоруха В. В. Экспериментальные исследования показателей прочности упругих промежуточных скреплений рельсового пути // Геотехническая механика. - Вып. 43. - Д.: Полиграфист, 2003. - С. 187-195.
6. Булат А. Ф. Закономерность разрушения эластомеров при длительном циклическом нагруже-нии / А. Ф. Булат, В. В. Говоруха, В. И. Дырда // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. ИГТМ НАН Украины им. Н. С. Полякова -Вып. 52. - Д., 2004. - С 3-95.
7. Костюк М. Д. Стршочш переводи i сумiжне устаткування для швидшсного руху по1здв / М. Д. Костюк, В. В. Говоруха // Залiзничний транспорт Украши. - 2002. - № 3. - С. 15-17.
8. Костюк М. Д. Сучасна конструкщя сумщено! рейково! коли 1520 та 1435 мм iз залiзобетонними шпалами та промiжним пружним рейковим скршленням / М. Д. Костюк, В. В. Говоруха // Строительство: Сб. научн. тр. ДИИТ. - Вип. 10. -Д., 2002. - С. 72-75.
9. Юрпа Г. М. 1нтегращя залiзничного транспорту Укра!ни у европейську транспортну систему: Монографiя. - Д.: Вид-во Дншропетр. нац. унту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна, Арт-Прес, 2003. - С. 211-214.
10. Декларацшний патент на винахвд: № 49743 А. Укра!на (и А). Кл. Е01В7/20. Вузол кршлення рамно! рейки / В. В. Говоруха, М. Д. Костюк, С. Д. Тараненко - Бюл. № 9. - 16.09.2002.
11. Декларацшний патент на винахвд: № 49745 А. Укра!на (ИА). Кл. Е01В9/48. Клема рейкового скршлення / В. В. Говоруха, М. Д. Костюк, Я. В. Дубневич. - Бюл. № 9. - 16.09.2002.
12. Декларацшний патент на винахщ: № 49747 А. Украша (ИЛ). Кл. Е01В5/18. Контррейковий вузол / В. В. Говоруха, М. Д. Костюк, С. Д. Та-раненко - Бюл. № 9. - 16.09.2002.
13. Декларацшний патент на винахщ: № 49768 А. Украша (ИЛ). Кл. Е01В9/48. Рейкове скршлен-ня / В. В. Говоруха, М. Д. Костюк. - Бюл. № 9. - 16.09.2002.
14. Декларацшний патент на винахщ: № 55333 А. Украша (и А). Кл. Е01В9/48. Пружинна клема рейкового скршлення / Говоруха В. В., Костюк М. Д., Дубневич Я. В. - Бюл. № 3. - 17.03.2003.
15. Декларацшний патент на винахщ: № 48923 А. Украша (ИА). Кл. Е01В9/30. Анкер для рейкового кршлення / В. В. Говоруха, М. Д. Костюк, Я. В. Дубневич. - Бюл. № 8. - 15.08.2002.
16. Декларацшний патент на винахщ: № 49749 А. Украша (ИА). Кл. Е01В9/48. Пристрш для крь плення рейки / В. В. Говоруха, М. Д. Костюк, С. Д. Тараненко. - Бюл. № 9. - 16.09.2002.
17. ТУ У 32.30268559.072-2002. Скршлення пруж-не промiжне типу КППД-2 для рейок типу Р65 на дерев'яних шпалах. На дослщну партш Техшчш умови. Введ. 2002. - Д., 2002. - 16 с.
18. ТУ У 88.311.007-97. Клемма пружная КП-1 промежуточного скрепления КПП-1. Опытная партия. Технические условия. Ввод. 1997. - Д., 1997. - 22 с.
19. ТУ У 30268559.021-2000. Клеми пружш для рейкових колш та стршочних переводiв залiз-ничного транспорту. На дослщну партш. Техшчш умови. Введ. 2000. - Д., 2000. - 29 с.
20. ТУ У 30268559.002-99. Клеми пружш для рейкових колш та стршочних переводiв залiзнич-ного транспорту. На дослщну партш. Техшчш умови. Введ. 1999. - Д., 1999. - 29 с.
21. ТУ У 35.2-30268559-039-2002. Клеми пружш типу КП-5 пром1жного скршлення типу КПП-5. Техтчт умови. Введ. 02.12.2002. - Д., 2002. - 42 с.
22. ТУ У 32.30268559.039-2001. Клема пружна КП-5 пром1жного скршлення КПП-5. На дослщну партш. Техтчт умови. Введ. 2001. - Д., 2001. - 18 с.
23. Iнструкцiя по укладанню та утриманню коли на залiзобетонних шпалах з пружним скршленням типу КПП-1, КПП-5. Введ. 2002. - Д., 2002. - 43 с.
24. УЗ.068.00.000 1М. 1нструкщя по складанню пружних колшних скршлень з пружними кле-мами типу КП-2 та КП-3. Введ. 2002. - Д., 2002. - 16 с.
25. ТУ У 32.30268559.065-2002. Клема пружна типу КПТ-7 промiжного скрiплення типу КППТ-7. На дослщну партш Технчш умови. Введ. 2002. - Д., 2002. - 19 с.
26. ТУ У 32.30268559.055-2001. Скршлення пруж-не пром1жне безшдкладочне КППТ-7 для рейок типу Р65 на залiзобетонних шпалах. На дослщ-ну партш Технiчнi умови. Введ. 2001. - Д.,
2001. - 15 с.
27. ТУ У 32.30268559.059-2002. Клема пружна типу КПТ-6 промiжного скршлення типу КППТ-6. На дослщну партiю. Технiчнi умови. Введ.
2002. - Д., 2002. - 19 с.
28. ТУ У 32.30268559.057-2001. Скршлення пруж-не промiжне КППТ-9 для рейок типу Р65 на за-лiзобетонних шпалах. На дослщну партш Введ. 2001. - Д., 2001. - 17 с.
29. ТУ У 32.30268559.063-2002. Клема пружна типу КПТ-9 промiжного скршлення типу КППТ-9. На дослщну партш Технчш умови. Введ. 2002. - Д., 2002. - 18 с.
30. ТУ У 35.2-05411357-002-2004. Скршлення рей-кове шумознижуюче для рейок типу Т62. На дослщну партш Техшчш умови. Введ. 2004. -Д., 2004. - 19 с.
31. ТУ У 35.2-30268539-091-2002. Клема пружна КП-12 промiжного скршлення КПП-12. На дослщну партш Технчш умови. Введ.2002. - Д.,
2002. - 26 с.
32. ТУ У 32.30268559.072-2002. Скршлення пруж-не промiжне типу КППД-2 для рейок типу Р65 на дерев'яних шпалах. На дослщну партш Техшчш умови. Введ. 2002. - Д., 2002. - 16 с.
33. ТУ У 35.2-30268559-118-2004. Скршлення пром1жш типу КПП-5. Технчш умови. Введ. 18.02.2002. - Д., 2004. - 27 с.
34. Повышение надежности работы верхнего строения пути в современных условиях эксплуатации: сб. научн. тр. ВНИИЖТ / Под ред. М.Г. Крисанова. - М.: Интекст, 2000. - 142 с.
35. Альдрехт В. Г. Бесстыковой путь / В. Г. Альд-рехт, Н. П. Виногоров, Н .Б. Зверев и др.; Под ред. В. Г. Альбрехта, А. М. Когана. - М.: Транспорт, 2000. - 408 с.
36. Лысюк В. С. Управление надежностью бесстыкового пути / В. С. Лысюк, В. Т. Семёнов, В. М. Ермаков, Н. Б. Зверев, Л. В. Башкатова; Под ред. В. С. Лысюка. М.: Транспорт, 1999. - 373 с.
37. Карпущенко Н. И. Совершенствование рельсовых скреплений / Н. И. Карпущенко, Н. И. Антонов. - Новосибирск: Изд-во СГУСа,
2003. - 300 с.
38. Совершенствование рельсовых скреплений: Тр. ВНИИЖТ / Под ред. Н. В. Петрова. - М.: Транспорт, - 1979. - Вып. 616. - 128 с.
39. Технические требования к промежуточным рельсовым скреплениям ЦП 1-86 / ВНИИЖТ МПС. М: 1987. - 9 с.
40. Яковлева Т. Г. Железнодорожный путь / Т. Г. Яковлева, Н. И. Карпущенко, С. И. Клинов и др.; Под ред. Т. Г. Яковлевой. 2-е изд., с изм. и доп. - М.: Транспорт, 2001. - 407 с.
41. Шахуняну Г. М. Железнодорожный путь. - М.: Транспорт, 1987. - 479 с.
42. Ланчаков Э. Т. Напряженно-деформированное состояние пружинных клемм промежуточных безболтовых скреплений // Вопросы пути и его содержания: Сб. научн. тр. Моск. ин-та инженеров ж.-д. трансп. - М. - 1976. . - Вып. 491. -С. 134-143.
43. Алексеева Л. П. Исследование параметров пружинной клеммы АРС // Вопросы повышения надежности и уровня использования железнодорожного пути: Сб. научн. тр. Моск. ин-та инженеров ж-д. трансп. - Вып. 759. М.: 1984. - С. 52-62.
44. Антонов Н. И. Компьютерное моделирование напряженно-деформи-рованного состояния упругих клемм рельсового скрепления // Экспериментальные и расчетные методы строительной механики: Межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск, 1997. - С. 18-25.
45. Гучков А. К. Скрепление ЖБР-65 / А. К. Гучков, Ю. Н. Радчин // Путь и путевое хозяйство. -2000. - № 2. - С. 14-15.
46. Афанасьев В. Ф. Упругие скрепления для деревянных и железобетонных шпал // Путь и путевое хозяйство. - 2000. - № 3. - С. 23-26.
47. Ермаков В. М. Оценка качества и совершенствование элементов верхнего строения / В. М. Ермаков, В. М. Федин, А. И. Борц // Путь и путевое хозяйство. - 2000. - № 3. - С. 20-23.
48. Петренко С., Владимир Говоруха - путь поиска и свершений на рельсовом транспорте железных дорог, шахт, рудников и карьеров // Вгсп Придншров'я. - № 13/2 (502). 19.02.2004. -С. 20-21.
49. SCAD для пользователя / В. С. Карпиловский, Э. З. Криксунов, А. В. Перельмутер, М. А. Пе-рельмутер, А. Н. Трофимчук. - К.: ВВП «Компас», 2000. - 332 с.
50. Сорокин В. Г. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, В. С. Волосникова, С. А. Вяткин
и др.: Под общ. ред. В. Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
51. Р 745. Рекомендации по уточнению технических требований на проектирование упругих рельсовых скреплений // Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД). Разработано IX Комиссией на совещании с 11 по 16 мая 1987 г. в г. Печ. Дата вступления в силу -10 сентября 1987 г.
52. Р 745/1. Упругие скрепления рельсов с клеммами типа: 8КЬ 12 (с подкладками), 8КЬ 14 (без подкладок) // Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД ). Разработано совещанием экспертов V Комиссии ОСЖД Штреба, 7-9 апреля 1999 г. Дата вступления в силу: 08 октября 1999 г.
53. ТУ 21483238-001-95. Анкер закладной. Технические условия. - Киев, 1995. - 17 с.
54. ТУ У 35.2-30268559 - 128Д - 2003. Клема пружна типу КП-7 для нероздшьного пружного скршлення. На дослвдну партш. Введ. 2003. -Д., 2003. - 19 с.
55. Говоруха В. В. Механика деформирования и разрушения упругих элементов промежуточных рельсовых скреплений: Монография. -Д.: Изд-во «Лира ЛТД», 2005. - 388 с.
Поступила в редколлегию 23.11.2005.
