CC BY
21
УДК 625.14.3.482:658.011.22:536.5
В. В. РИБК1Н, М. А. АРБУЗОВ (ДПТ)
ВИМ1РЮВАННЯ НЕЙТРАЛЬНО? ТЕМПЕРАТУРИ РЕЙКОВО1 ПЛ1Т1 БЕЗСТИКОВО1 КОЛ11
Актуальною проблемою сьогоднiшнього дня на залiзницi е утримання безстиково! коли. Зараз на залiз-ницях Укра!ни використовуеться неточний метод контролю напруженого стану рейково! плiтi, що не дае безпосередньо! та правдиво! картини розподшу величини напружень вздовж коли. Тому виникае необхщ-нiсть застосування нового методу контролю, за допомогою якого визначаються напруження не лише температурю та напруження ввд угону, але й початковi та залишков^ тобто сумарнi поздовжнi напруження. Вра-ховуючи той факт, що рейка виготовлена iз феромагнiтного матерiалу, в основу вимiрювання механiчних напружень покладене явище магниио! пружностi. На цьому явищi побудований прилад для контролю сума-рних поздовжнiх напружень статичного характеру в рейщ. Техшчний результат використання нового методу - тдвищення точностi, швидкостi, зручносп та надiйностi вимiрювання механiчних напружень.
Актуальной проблемой сегодняшнего дня на железной дороге является содержание бесстыкового пути. Сейчас на железных дорогах Украины используется неточный метод контроля напряженного состояния рельсовой плети, который не дает непосредственной и правдивой картины распределения величины напряжений. Поэтому возникает необходимость применения нового метода контроля, с помощью которого определяются напряжения не только температурные и напряжения от угона, но начальные и остаточные, т. е. суммарные продольные напряжения. Используя тот факт, что рельс изготовлен из ферромагнитного материала, в основу измерения механических напряжений положено явление магнитной упругости. На этом явлении построен прибор для контроля суммарных механических напряжений статического характера в рельсе. Технический результат использования нового метода - повышение точности, скорости, удобства и надежности измерения механических напряжений.
Nowadays the maintenance of long welded rails track is an urgent problem of railway industry. The inexact diagnostic method of the stressed state of long welded rails is used now on railways of Ukraine. This method does not give a direct and true picture of distribution and mode of the stress. Therefore there is a necessity of application of a new diagnostic method, which determines not only temperature stress and stress from longitudinal moving, but also initial and residual, i.e. total longitudinal stress. Taking into account that the rail is made of ferromagnetic material, the phenomenon of magnetic elasticity is used in measurement of mechanical stress. The device for the diagnostic of total mechanical longitudinal stress of static character in a rail is constructed, based on this phenomenon. The technical result of using the new method is an increase in accuracy, speed, convenience and reliability of mechanical stress measurements.
На залiзницях Украши безстикова колiя е основною найбшьш прогресивною конс-трукщею колп.
У в№нш вщ впливу рухомого складу рейщ, яка лежить в коли, присутт сумарш напруження, що виникають вщ рiзних факторiв: нерiвномiрно-сп остигання рейки по и поперечному перетиш тсля прокату, тсля правки рейки, транспорту-вання, укладання рейок в криву з використанням ударних приладiв, експлуатацл та ремонту коли. На залiзницях Укрш'ни на безстиковш коли ве-деться контроль за температурними напруження-ми та напруженнями викликаними угоном, не звертаючи увагу на вище перераховаш, що вияв-ляються нерщко одного порядку з напруженнями вщ впливу рухомого складу. До того ж сам процес контролю мае ряд сво!х недолшв:
- для визначення напруження в рейщ використовуеться термометр i за формулою для затисненого стрижня розраховуються темпера-
туры напруження без врахування початкових напружень;
- вщсутня можливють контролю за поча-тковими напруженнями, оскшьки ш термометром, ш за допомогою «маячних» шпал цього зробити неможливо;
- вщсутшсть простого i надшного способу контролю повноти i рiвномiрностi зняття напружень при 1х розрядцi;
- вiдсутнiсть контролю напружень, що залишилися пiсля розрядки i призводять до не-вiдповiдностi температури закршлення нейтра-льнiй температурi;
- при примусовому вводi рейкових плгтей в розрахунковий температурний iнтервал закр> плення регулюванням 1х довжини може бути допущена звичайна технолопчна похибка, яка не контролюеться i призводить до того, що при настанш температури закршлення напруження не дорiвнюють нулю, як це передбачалось;
при примусовому ВВОД1 зм1на довжини рейково! плт вщбуваеться з подоланням погонного опору, 1 тому окр1м контролю за р1в-ном1ршстю подовження плт потр1бно викону-вати контроль за залишковими напруженнями, що зараз, нажаль, не виконуеться;
- ведеться контроль напруженого стану безстиково! коли по «маячних» шпалах, але ж де гаранпя, що сама «маячна» шпала не зрушу-еться, тобто небезпосередшсть знижуе точшсть та надшшсть юнуючого методу.
Оскшьки зараз на зал1зницях Укра!ни вико-ристовуеться неточний метод контролю напру-женого стану, що не дае безпосередньо! та правдиво! картини розподшення напружень в рей-ковш плт, то виникае необхщнють застосу-вання нового методу контролю, за допомогою якого визначаються напруження не лише тем-пературш та напруження вщ угону, але й початков! та залишков1, тобто сумарш напруження.
Отже, перед нами поставлена задача по ви-м1рюванню сумарних внутршшх напружень у рейковш плт безстиково! коли. Якщо викори-стовувати традицшний метод наклеювання тен-зорезистор1в, то потр1бно було б це робити до моменту укладання рейок. Заклеювати тензода-тчиками рейку не рацюнально, а наклеювати на вкладену та закршлену рейку даремно. Тому необхщно мати метод вишрювання напружень, який реагував би на стан кристал1чно! решгтки.
Явище магштно! пружносп являе собою змшу намагшченост феромагштного матер1алу пщ впливом мехашчних пружних деформацш [1]. Тому саме це ф1зичне явище покладене в основу контролю зусиль та напружень [2].
У Дтпропетровському нащональному ушвер-ситет зал1зничного транспорту !меш академша В. Лазаряна розроблений та побудований авторами прилад на магттопружиому датчику [3]. 1ндика-тором даного приладу е вольтметр змшного струму. Датчик був встановлений на дослщний зразок, у якому створювалися р1зш напруження, { при цьому фшсувалися показання вольтметра. Резуль-тати одного з експерименпв наведет на рис. 1.
2
т
К я 1,5
0,5
100 150 200 250 MexaHÍ4HÍ напруження, МПа
Рис. 1. Залежшсть показань приладу ввд механiчних напружень отримана з одного експерименту
Пюля проведения багаторазових експеримен-tíb i апроксимацп одержуемо лшшну залежшсть
показань приладу вщ механiчних напружень. Прилад було випробувано в лабораторних умо-вах та на коли при вимiрюваннi сумарних мехашчних напружень статичного характеру. Чутли-вють приладу складае 0,5 МПа.
Введемо поняття «еквiвалентний штервал температури», пiд яким будемо розум^и змiну температури, що викликае напруження тако! ж величини, як i дiя зовнiшнiх механiчних сил. Зараз на залiзницях Укра!ни для пщрахунку е^валентно! та нейтрально! температури ви-користовуються вiдповiдно формули (1) та (2), що за сво!м фiзичним змiстом враховують лише напруження вщ угону [4].
Вщхилення нейтрально! температури вщ температури закрiплення знаходиться за формулою
Al
At = 85 —, l '
(1)
де А! - фактично вим1ряне подовження (+) або вкорочення (-) плт, мм; ! - вщстань м1ж «ма-ячними» шпалами, м.
Визначаеться значення нейтрально! тем-ператури
Т = 'з +А, (2)
де 'з - температура закршлення плт, °С.
Перед виконанням кол1йних робгт на безсти-ковш коли виконуються так операцл. За наявнос-т угону коли визначають змшу довжини дано! плт за зрушеннями !! на «маячних» шпалах та пщраховують екв1валентну температуру А', в якш, до реч1, не враховаш !нш1 внутршт напруження. Пщраховують значення нейтрально! температури ТО. Кладуть термометр на рейку, отри-мують !! фактичну температуру 'р { визначають перевищення А'р_о температури рейки вщносно !! нейтрально! температури (рис. 2). Отримане значення змши температури рейково! плт А'р_о
пор1внюють з допустимим нормативним значен-ням, тсля чого приймаеться ршення про дозвш на виконання певно! роботи.
Але ж т внутршт напруження, якими просто нехтують, можуть мати однаковий порядок з на-пруженнями вщ рухомого складу 1 також роблять свш вагомий внесок в пониження спйкосп чи мщносп коли. Ситуащя ускладнюеться за наяв-носп можливого змщення «маячних» шпал. Тому дшсне перевищення А'р _о температури рейки
вщносно !! нейтрально! температури може вияви-тись бшьшим за розраховане по юнуючому методу 1 перевищить нормативне значення. У такому раз! при виконанш кол1йних робгт з'являеться небезпечний стан порушення мщносп чи стшко-сп. Причина цього знаходиться в неточному ви-значент нейтрально! температури.
0
А tр-o
А ^
I °о
t,
tр
Т 'з 'р
Рис. 2. Процес визначення змши температури рейково! плт при юнуючому метод1
А,
Використовуючи прилад для вимiрювання ме-хашчних напружень, що побудований на магтто-пружному датчику, можна лiквiдувати вищевказа-нi недолiки i визначати в будь-якому перетинi рейково! плт, в будь-який час сумарнi напруження.
Оскiльки еквiвалентна температура прямо-пропорцшна напруженню, то, змiнивши шкалу приладу отримуемо пристрiй для вимiрювання вщхилення А^р-0 температури рейки вщносно
И нейтрально! температури.
Розробленим приладом вимiрюеться змiна температури рейково!' плт А^_о, що е^вале-
нтна сумарним напруженням в рейцi. Кожна складова сумарних напружень може бути представлена у е^валентному температурному ви-глядi. Тодi можна записати
Ар-0 = Атемп '
- Аt + Аt
'-"уг ~ '-"остиг
- Аtу
■Аtе
-А
рем
транс уклад
де Аtтемп - змша температури, що викликае без-посередньо температурнi напруження; Аtуг -
е^валентний iнтервал температури викликаний напруженнями угону; Аtостиг - еквiвалентний штервал температури викликаний напруженнями, що виникають вiд нерiвномiрностi остигання рейки по !! поперечному перетинi шсля прокату, пiсля правки рейки; А^а„„ - еквiвалентний iн-
транс
тервал температури викликаний напруженнями, що можуть виникнути при транспортуваннi рей-
ки; А1
уклад
еквiвалентний iнтервал температу-
ри викликаний напруженнями, що виникають при укладаннi рейок в колiю з використанням
ударних приладiв; Аtекспл - еквiвалентний iнтер-вал температури викликаний напруженнями, що накопичуються при експлуатацп колi!; Аtрем -
еквiвалентний штервал температури викликаний напруженнями, що виникають при виконанш ремонтних робiт.
Отже, для визначення змiни температури рейково! плт, використовуючи побудований прилад, виконуеться лише одна операщя. Датчик встановлюеться на рейку i вiдразу знiмаеться вщ-лiк Аtр-о, що показуе змшу температури рейково! плiтi вщносно нейтрально! температури.
Так як сумарш напруження можуть мати р> зний знак, тобто рейка може знаходитись в на-пруженому станi стиску чи розтягу, то i пока-зання приладу можуть мати вщповщно вiд'емнi чи додатнi значення. При знаходженш нейтрально! температури Т0 береться алгебра!чна су-
tp i змiни
Аtр-о температури рейково! плт вщносно нейтрально! температури.
Тодi значення нейтрально! температури бу-дуть знаходитись за формулою
(3) ма фактично! температури рейки
То = tp■
-Аt
р-о •
(4)
де 1;р - фактична температура рейки додат-на (+) або вщ'емна (-), °С;
А1
р-о
змша температури рейково! плт
вщносно нейтрально! температури при розтяг-неному напруженому сташ (+) або при стисне-ному напруженому сташ (-), °С.
Процес визначення нейтрально! температури рейково! плт зображено на рис. 3.
р-0
^^ем Аtекспл Д^уклад А^ранс Аtостиг 4-Й4-►Й-Й4-И-и<
Аtу
уг
Аt т
I °о
То
и
Рис. 3. Процес визначення нейтрально! температури рейково! плт при новому метод1
t
р
Як ми бачимо з пор1вняння юнуючого (рис. 2) { нового методу (рис. 3) останнш виявляеться б1льш точним, так як дозволяе врахувати ва по-здовжш напруження, що присутш в рейщ безсти-ково! коли. Значно спрощуеться процес контролю за температурно напруженим станом рейкових плгтей. При використанш нового методу зростае точтсть та надштсть отриманих результапв, зменшуються трудовитрати на визначення екв1ва-лентного штервалу температури рейково! плт, значно зменшуеться термш часу на виконання ще! роботи, а разом з тим з'являеться широке коло застосування нового методу.
За нормативними документами в ус1х випа-дках фактичш температури закршлення не по-винш виходити за меж1 розрахункового штер-валу закршлення [4]. Як вщомо, в результат! нер1вном1рност1 остигання рейки по !! поперечному перетиш шсля прокату { шсля !! правки в нш виникають залишков! напруження бшя 50100 МПа 1 нав1ть бшьше [5]. При укладанш рейкових плгтей в кривих, для полшшення !х насування, користуються ударними приладами, або шшими засобами примусового поздовж-нього перемщення плгтей. Тому ще до появи температурних напружень рейка вже напружена. Отже, при закршленш рейково! плт вважа-еться, що внутршшх напружень немае, вим> рюють термометром температуру рейки { закр> плюють в розрахунковому штерваль А наспра-вд1, внутршш напруження присутш { при !х переведенн! в екв1валентну температуру може виявитись, що температура закршлення вихо-дить за меж! оптимального чи розрахункового штервалу. Новий метод, на вщм!ну вщ звичай-ного, дозволить вести такий контроль.
Розрядка для закршлення рейкових плгтей на постшний режим експлуатаци е досить вщ-пов!дальною. Тому необхщно повн!стю зняти в рейкових пттях напруження [4]. Зараз на зал!з-ницях Укра!ни повноту ! р!вном!рн!сть зняття напружень перев!ряють по поздовжн!х пере-м!щеннях окремих перер!з!в пл!т!, нанесених через 50 м вщносно «маячних» шпал, що
влаштоваш через кожн! 100 м. Показником по-вноти розрядки е припинення перем!щень пе-рер!з!в шсля удар!в при примусов!й д!! на зв> льнену пл!ть. Але подовження чи вкорочення рейково! пл!т! вщбуваеться з подоланням погонного опору. Тобто напруження в рейщ ще присутш, а вважають, що !х вже немае. Тому новий пристрш е простим ! над!йним способом контролю повноти та р!вном!рносп зняття вну-тр!шн!х напружень при розрядщ.
При примусовому ввод! рейкових пттей в розрахунковий температурний !нтервал закршлення регулюванням довжини пл!тей за допо-могою нового методу можна виконувати контроль за залишковими напруженнями.
Перед виконанням кол!йних роб!т на без-стиков!й кол!!, використовуючи розроблений прилад, можна дуже швидко вишряти вщхи-лення температури пттей в!д температури !х закр!плення, ! пор!вняти з допустимим норма-тивним значенням, що необхщно робити перед багатьма колшними роботами.
Таким чином, для контролю сумарних ме-хан!чних напружень статичного характеру в рейках безстиково! кол!! повинен використову-ватися новий бшьш точний та над!йний метод, який здшснюеться за допомогою розробленого способу вишрювання механ!чних напружень [2] та пристрою для його здшснення [3].
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Гуманюк М. Н. Магнитоупругие датчики в автоматике. - К.: Техника, 1972. - 153 с.
2. Заявка на корисну модель № 20041007961 ввд 01.10.2004; ршення про видачу декларацшного патенту ввд 18.01.2005.
3. Заявка на корисну модель № 20041109814 ввд 29.11.2004; ршення про видачу декларацшного патенту ввд 09.03.2005.
4. Техшчш вказ1вки по улаштуванню, укладанню, ремонту 1 утриманню безстиково! коли на зал1зницях Укра!ни (ЦП/0081) - К.: // Транспорт Укра!ни, 2002. - 106 с.
5. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. - М.: Транспорт, 1987. - 479 с.
Над!йшла до редколегп 28.04.2005.
