CC BY
49
УДК 621.791:624.21
В. I. КИР'ЯН, В. В. КНИШ (1ЕЗ iM. е. О. Патона НАН Украни, Кшв), Г. О. ЛИННИК (Укрзалiзниця)
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТ1 ЗВАРНИХ СУЦ1ЛЬНОСТ1НЧАТИХ ПРОГОНОВИХ БУДОВ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ МОСТ1В
У робот дослщжуютъся досввд експлуатацп та методи збшъшення надшносп та довгов1чност1 металевих прогонових будов i3 суцшъною стшкою.
В работе исследуются опыт эксплуатации и методы увеличения надежности и долговечности металлических пролетных строений со сплошной стенкой.
In the work the operating experience and methods of increasing the reliability and durability of steel bridges are investigated.
Головними конструктивними елементами суцшьностшчастих зварних прогонових будов е балки двотаврового перерiзу, яю об'еднуються мiж собою системою в'язей. Вони працюють в складних умовах перемшного навантаження вщ рухомого складу, вiтру, змши температури та iн. У вщповщносп з нормативами проектний термiн служби прогонових будов моспв скла-дае 100 роюв [1]. Розрахунок !'хшх несучих еле-ментiв на втому здшснюеться, виходячи з обме-жено! границi витривалостi на базi 2-106 циклiв перемiн навантаження. При цьому береться до уваги, що одному циклу навантаження прогоново! будови вщповщае про!зд одного ешелону. Проте, трщини вiд утомленостi зароджуються невдовзi пiсля початку експлуатацп. До утво-рення трiщин достатнiх розмiрiв, щоб !х можна було виявити, проходить вщ чотирьох до семи роюв. В деяких випадках (на дшьницях зi значною вантажонапруженiстю) вони спостер> гаються через 1...3 роки роботи будови i в таких елементах i зварних з'еднаннях, в яких !х не очiкували i не розраховували на втому. За такими типовими проектами прогоновi будови затзничних мостiв виготовляються i тепер. Це викликае занепокоенють i потребуе звернути серйозну увагу на проблему !хньо! працездат-носп. Важливим тут е встановлення причин пе-редчасного зародження трщин втоми i розроб-ка надшних i економiчно доцiльних заходiв з забезпечення довговiчностi прогоново! будови протягом усього нормативного термiну експлуатацп, а можливо i довше. Виршенню ще! проблеми i присвячена дана робота.
Причини передчасного зародження трщин втоми
Anpiopi можна сказати, що у зварних металоконструкщях, яю розраховуються на втому i вiдповiдають вимогам нормативно! документацп з якостi, передчасне зародження трщин втоми пов'язане з !х конструктивними недолшами. Це стосусться i прогонових будов залiзничних моспв. З найбiльш розповсюд-жених слщ вiдзначити трiщини в зварних з'еднаннях вертикальних ребер жорсткосп з поясами (Т4) i горизонтальними ребрами (Т6, Т11), стiнках головних балок в мюцях обриван-ня вертикальних ребер жорсткосп (Т9, Т10), зонi сплавлення верхнього поясного шва (Т13) у створi вертикальних ребер (рис. 1) [2]. Якщо пошкодження елементiв в'язей мало впливають на працездатнiсть прогоново! будови, то цього не можна сказати про втомш трщини, яю розвиваються в стiнках головних балок. Вони е дуже небезпечними.
Джерелом зародження трщин втоми слугу-ють мiсцевi додатковi напруження в елементах прогоново! будови та !х вiбрацiя, якi виникають через значну ексцентричнiсть передачi навантаження вщ рейково! коли на головш балки. Частота вiбрацi! i рiвнi додаткових напружень визначаються швидюстю по!зда та добротнiстю (кiлькiсна характеристика резонансних власти-востей коливально! системи) вузла. Високо-частотна складова напруження вщ вiбрацi! елементiв накладаеться на вторинш низько-частотнi. Двочастотне, а в загальному випадку полiчастотне, навантаження суттево знижуе ци-клiчну довговiчнiсть [3].
Риа 1. MicuH зapoджeння втoмниx тpiщин (пoзнaчeнi лiтepoю Т з цифpoю) в eлeмeнтax типoвиx пpoгoнoвиx бyдoв зaлiзничниx мocтiв пpoeктyвaння 6G...7G-x pp. (npoercra № 541 i № 821)
За чашв пpoeктyвaння пpoгoнoвиx бyдoв за-лiзничниx мocтiв шд кepiвництвoм G. О. Пато-на (5G-ri poки) бyлo зpoблeнo вте мoжливe для тoгo, щoб виключити гояву дoдaткoвиx rnnpy-жeнь i вiбpaцiï. Так, зoвнiшнi лиcти вepxнix пoяciв, на якi oбпиpaютьcя мocтoвi бpycи, мали шиpинy 2GG мм, в'язi poзтaшoвyвaлиcь y piвнi гояшв, а вepтикaльнi pe6pa жopcткocтi пpивapювaлиcь дo вepxньoгo пoяcy. Дoвгoвiч-шсть тaкиx пpoгoнoвиx бyдoв cyттeвo вища (в 15...2G paзiв) пopiвнянo з cyчacними, вигото-влeними за тиговими пpoeктaми. Ствopeнню типoвиx пpoeктiв пepeдyвaлo «yдocкoнaлeння» пpoгoнoвиx бyдoв зaлiзничниx мocтiв y 19бG...7G-тi poки, ocнoвним нaпpямoм якoгo бyлo звiльнeння вiд звapниx швiв вepxнix гоя-ciв гoлoвниx бaлoк. Пoв'язaнo цe бyлo з тим, щo на звapнi з'еднання i зaлишкoвi нaпpyжeння бeзпiдcтaвнo пoклaдaлacь вcя вiдпoвiдaльнicть за виникнeння тpiщин втoми. В peзyльтaтi вepтикaльнi pe6pa жopcткocтi cтaли cпoлyчa-тиcь з вepxнiми пoяcaми гoлoвниx бaлoк чepeз «cyxap^rn>, були пepeнeceнi пpикpiплeння в'я-зeй з пoяciв на стшку i знaчнo збiльшeнa шиpинa гояшв (дo 42G...62G мм). Цi зaxoди пpизвeли дo piзкoгo змeншeння дoвгoвiчнocтi пpoгoнoвиx бyдoв. Так, за нaявнocтi зaзopy в пpиeднaннi вepтикaльниx peбep жopcткocтi дo пoяciв (з дocвiдy вiн дocягae G,5...1,G мм) npoï^ кoжнoгo вiзкa (нaвiть oci) pyxoмoгo cклaдy викликае пoвopoт пoяca i вигин стшки з ïï пгощини на дiлянцi виpiзy вepтикaльниx peбep жopcткocтi, а на дiлянцi мiж peбpaми жopcткocтi - згин стшки вщшку no вciй ïï витои. Вигин cтiнки мiж peбpaми жopcткocтi cпpичиняe пoвopoт нижньoгo пoяca i cnpHHe виникнeнню кoливaнь вiдciкy стшки. ^и
пeвниx швидкocтяx pyxoмoгo отладу тaкi толи-вання мoжyть бути peзoнaнcними. У випадку збiльшeння ш^ини вepxнix пoяciв знaчнo зpo-стае oднoбiчнicть oбпиpaння на ниx мocтoвиx бpyciв i, вiдпoвiднo, eкcцeнтpичнicть пepeдaчi нaвaнтaжeння вiд peйкoвoï кoлiï на гoлoвнi балки. Пpи цьoмy гояет зазнають дoдaткoвиx пepeмiнниx нaпpyжeнь вщ cкpyчyвaння, а вep-xнi дшянки cтiнки - вiд згину. Фашнки пoздoв-жнix в'язeй тeж згинaютьcя. Нeзвaжaючи на цe, пpoeктнi opгaнiзaцiï пpoдoвжyвaли зaмiнy звapниx швiв на з'еднання за дoпoмoгoю вито-томщнж бoлтiв. Вжe в бG-тиx po^x з'явилиcь пepшi бoлти в пpoгoнoвиx бyдoвax. За ïx дoпo-мoгoю пpикpiплялиcь пoздoвжнi i пoпepeчнi в'язi дo фacoнoк. Пoтiм бoлтaми стали nprnpin-лятиcь фacoнки в'язeй дo гoлoвниx бaлoк. В ocтaннi чает з'еднання вepтикaльниx peбep жopcткocтi зi cтiнкaми бaлoк тeж здiйcнюeтьcя за дoпoмoгoю виcoкoмiцниx бoлтiв. Звapними залишилжь тiльки cтики лиcтiв гoлoвниx багок i пoяcнi шви. Вci iншi з'еднання зaмiнeнi на бoлтoвi.
В той жe чac, дocвiд eкcплyaтaцiï пoкaзaв, щo зaмiнa звapниx з'еднань бoлтoвими нe гapaнтye виключeння втомнж pyйнyвaнь, ocкiльки зaлишaeтьcя гoлoвнe джepeлo ïx виникнeння - нeцeнтpoвaнa пepeдaчa наванта-жeння на гoлoвнi балки та iншi poзглянyтi вищe ^ичини. Кpiм тoгo, пopiвнянo iз cyцiльнo-звapними, бoлтoзвapнi пpoгoнoвi бyдoви значш ycклaднили пpoцec зaвoдcькoгo вигoтoвлeння за paxyнoк ввeдeння нoвoï тexнoлoгiчнoï one-paцiï - cвepдлiння oтвopiв з викopиcтaнням кoндyктopa i вcтaнoвлeння бoлтiв.
Kонструктивнi заходи попередження за-родження трщин втоми е нaйбiльш paдикaль-ними i нaдiйними. Дocлiджeння нaпpyжeнo-дeфopмoвaнoгo cтaнy (НДС) кoнcтpyктивниx oфopмлeнь звapниx вyзлiв (тaкиx, щo eкcплya-тyютьcя, та нoвиx зaпpoпoнoвaниx) дoзвoлилo cфopмyлювaти виxiднi пoлoжeння cтвopeння cyцiльнoзвapниx пpoгoнoвиx бyдoв зaлiзничниx мocтiв нoвoгo типу, нe cxильниx дo зapoджeння втoмниx тpiщин [4]. Оcнoвним з ниx е o6^-нання гoлoвниx бaлoк на piвнi вepxнix гояшв тaкoю cиcтeмoю в'язeй, якi б таращили npo-cтopoвy poбoтy пpoгoнoвoï бyдoви за paxyнoк бiльш piвнoмipнoгo poзпoдiлy зycиль мiж eлe-мeнтaми, виключeння в ниx дoдaткoвиx rnnpy-жeнь i вiбpaцiï. Для ^oro зaпpoпoнoвaнa зaмiнa пoздoвжнix i пoпepeчниx в'язeй кyтoвoгo пpoфiлю вiдпoвiднo листами-вставками i лиcтo-вими дiaфpaгмaми забитого чи вiдкpитoгo типу. Вaжливe знaчeння пpи цьoмy мае cпociб
приварки елеменпв. Головне в тому, що листи-вставки, дiафрагми i ребра жорсткосп прива-рюються до верхшх поясiв головних балок з повним проваром. Приварка вертикальних ребер жорсткосп та дiафрагм до верхньо! частини стiнок головних балок на вщсташ 200 мм вiд пояшв здiйснюeться теж з повним проваром. Запропоноваш листи-вставки i дiафрагми, утво-рюючи спiльно зi стiнками головних балок жорстю клiтки, виключають взаемш перем> щення головних балок, тдвищують жорсткiсть прогоново! будови на згин в горизонтальному i вертикальному напрямках, а також на кру-чення, сприяють рiвномiрному розподiлу екс-плуатацiйних напружень. Це суттево знижуе мiсцеве кручення верхнього поясу i пов'язанi з цим додатковi перемiннi напруження в елемен-тах прогоново! будови. Все це призводить i до зниження вiбрацil елементiв. Така конструкцiя достатньо технолопчна у виготовленнi. Натур-ш випробування протягом декiлькох рокiв запропоновано! суцшьнозварно! прогоново! будови моста на експериментальному кiльцi ВНД1ЗТ показали !! високу стiйкiсть втомним руйнуванням.
Подовження ресурсу прогонових будов, що експлуатуються, теж може забезпечуватись конструктивними заходами, яю сприяють цен-трованш передачi навантаження вiд рухомого складу на головш балки. Позитивний ефект дають спецiальнi центратори, якi приварю-ються до верхнiх поясiв головних балок. Бшьш радикальним е використання мостового полотна на баласт або безбаластного мостового полотна (БМП). Що стосуеться конструктивного оформлення зварних вузлiв, то можуть бути використаш оригiнальнi способи прикрь плення вертикальних ребер жорсткостi до стш-ки i поясу головно! балки. Наприклад, з вiдсутнiм вирiзом у ребрi для пропуску поясного шва. Прикршлення ребра до стшки i поясу балки здiйснюеться неперервними кутовими швами з повним проваром.
Шдвищення опору втомi зварних з'еднань
високочастотною механiчною проковкою (ВМП)
Загальновщомо, що опiр втомi зварних з'еднань у вихщному станi нижчий порiвняно з основним матерiалом. Чим вище мiцнiсть мате-рiалу, тим ця рiзниця бiльша. Одним iз шляхiв пiдвищення циклiчно! довговiчностi з'еднань е додатковi обробки при виготовленш метало-конструкцiй. Дiя деяких з них заснована на зменшенш концентраци напружень у зонi
з'еднання (наприклад, мехашчна й електро-дугова обробки швiв), iнших - на перерозподш залишкових зварювальних напружень бiля кон-центраторiв (наприклад, загальна i мюцева термiчна обробки, локальний нагрiв, попередне статичне перевантаження, поверхневий наклеп, вiбрацiйна i вибухова обробки).
В останш роки велика увага придшяеться одному iз найпривабливiших економiчно та за можливютю реалiзацi! на виробнищга i в по-льових умовах способу поверхневого пластичного деформування металу зварного з' еднання в зонах концентраторiв напружень, який вико-ристовуе енергда ультразвуку [5-7]. Це -ударна обробка поверхш металу високомщ-ними стрижнями, механiчнi коливання яких збуджуються ультразвуковим (УЗ) генератором через п'езокерамiчний випромiнювач (перетво-рювач електричних коливань у мехашчш) з вихiдною потужшстю 0,3... 0,5 кВт. Частота коливань УЗ складае близько 27 кГц, а бойюв -у 8... 10 разiв менше. Загальний вигляд комплексу для ВМП зварних з'еднань шюструе рис. 2.
а)
б)
Рис. 2. Комплекс для високочастотного мехашчного проковування (ВМП) зварних з'еднань металоконструкцш (вих1дна потужнють 0,3 кВт)
а): 1 - комп'ютер; 2 - УЗ генератор; 3 - ручний шструмент для ВМП з п'езокератчним випромшювачем;
б): зтмт головки ручного шструменту для ВМП: однобойкова - д1аметром 4 мм; трибойкова - 3х0 4 мм; чотирибойкова - 4х0 3 мм; семибойкова - 7х0 5 мм
Уперше оцшили можливiсть УЗ-технологi! з пiдвищення опору втомi зварних з'еднань в 1ЕЗ
iм. С. О. Патона НАН Украши в 1982 р. при використанш устаткування на магштострик-цiйному перетворювачi [8]. Таке устаткування великогабаритне i стацiонарне через необхщ-нiсть його охолодження, яке здшснюеться проточною водою. В результат обробки циктчна довговiчнiсть стикових з'еднань низьковугле-цево! сталi збiльшилась у 18...20 разiв. Це дало поштовх для проведення систематичних дослщ-жень, пов'язаних з розробкою УЗ технологи i оцшкою И ефективностi в пiдвищеннi опору втомi зварних з'еднань сталей рiзного класу мiцностi та алюмiнiевих сплавiв. Виявилось, що обробляти достатньо тшьки вузьку зону переходу вщ металу шва до основного матерiалу шириною близько 4... 7 мм. При цьому головними факторами шдвищення циктчно! довговiчностi та границi витривалостi зварних з'еднань слугують наступнi:
- перерозподш залишкових розтягувальних напружень i створення стискувальних в зонi обробки;
- зменшення коефiцiента концентраци робочих напружень ас;
- деформaцiйне змiцнення поверхневого шару металу.
Стльна дiя вказаних трьох фaкторiв достатньо ефективно шдвищуе циклiчну довговiч-нiсть i грaницi витривaлостi ск зварних з'еднань конструкцшних мaтерiaлiв (табл. 1). Зале-жно вiд умов циктчного навантаження (асиме-трiя циклу), мехашчних властивостей основного мaтерiaлу, концентраци напружень, обумо-влено! типом i формою з'еднання, залишкових напружень i iнших чинникiв, циклiчнa довго-вiчнiсть пiсля ВМП пiдвищуеться у 8.. .10 рaзiв, а границя витривалосп на бaзi 2-106 циклiв перемш навантаження - на 30.200 %. Рiвень пiдвищення опору втомi зварних з'еднань суттево залежить i вщ пaрaметрiв ВМП. Шляхом !х тдбору (в 1ЕЗ iм. С. О. Патона розроблена вщповщна методика) досягаеться максимально можливе у вщповщност з вказа-ними чинниками збiльшення границ витрива-лостi. При цьому основш зaкономiрностi зро-стання ефективностi ВМП таю:
- з шдвищенням мщносп вихiдного мaтерia-
лу;
- для зварних з' еднань з високою почат-ковою концентращею робочих напружень, обу-мовленою формою шва (наприклад, з'еднання з поперечними ребрами, привареними кутовими швами) порiвняно зi стиковим;
- при зниженш коефiцiентa асиметри циклу зовшшнього навантаження Яс.
Для прикладу можна навести тaкi дaнi. При оптимальному режимi ВМП пiдвищення грани-щ витривaлостi зварного з'еднання (високомщ-на сталь - св = 1000 МПа) з поперечними ребрами, привареними кутовими швами, при симе-тричному циклi навантаження (Яс = -1) досягае 200 %, а при знакопостшному (Яс = +0,6) -30 % (див. табл. 1). Отримаш результати експе-риментальних дослщжень ефективностi ВМП для пiдвищення опору втомi зварних з'еднань сталей рiзних клaсiв мiцностi i aлюмiнiевих сплaвiв, досвiд И використання в суднобудiв-ництвi, дослiдно-промисловi перевiрки у мо-стобудувaннi при виготовленнi та ремонт прогонових будов мостiв та в шших галузях можуть слугувати основою для включення ВМП до норм проектування i виготовлення зварних металоконструкцш. Порiвняно з iнши-ми способами поверхневого пластичного де-формування зварних з'еднань, ВМП мае цший ряд переваг: високу продуктившсть i економiч-нiсть; компaктнiсть i мобiльнiсть устаткування; незначну площу обробки (зона переходу вщ металу шва до основного мaтерiaлу); обробку в довiльному просторовому положеннi; можли-вiсть прогнозування ефективносп обробки.
Пiдвищення ресурсу зварних
металоконструкцш за допомогою ВМП
Нещодавш дослщження показали, що ВМП результативна при шдвищенш опору втомi не тшьки на стади виготовлення зварних металоконструкцш (обробка зварних з'еднань вщразу шсля зварювання), але i шсля деякого термiну !х експлуатацп i значного накопичення втомних пошкоджень в зонах концентрaторiв напружень, включаючи зародження втомно1 трiщини глибиною до 1 мм [9, 10]. Випробування на втому проводили при вщнульовому цикл перемiнного навантаження (Яс = 0) на зразках iз стат СтЗсп з поперечними ребрами жорсткост, привареними з повним проваром ручним електродуговим зварюванням. Перша серiя зра-зкiв була у вихiдному сташ пiсля зварювання, друга - оброблена ВМП одразу шсля зварювання, третя - оброблена ВМП шсля цикт-чного навантаження i накопичення в зварних з'еднаннях втомних пошкоджень на рiвнi приблизно 50 % i 95 % вщ тих, як вiдповiдaють зародженню трiщини.
Отримаш кривi втоми (рис. 3) демонструють шдвищення довговiчностi зрaзкiв третьо1 сери (залит кружки), випробуваних в дiaпaзонi змiн напружень стах = 175.225 МПа, порiвнюючи
зi зразками першо! (залитi трикутники) та друго! (свiтлi кружки) серiй вщповщно на порядок i бiльше шж у 2 рази. При цьому межi витривалостi на базi 2-106 циклiв теж зросли порiвняно з вихщним станом вiдповiдно на 66 i 50 %. Пiдвищення рiвня напружень стах = = 175...225 МПа при напрацюванш 50 % дов-говiчностi й випробуваннi зразюв третьо! сери пов'язанi з тим, що навiть пiсля накопичення близько 95 % пошкоджень вiд втомленосп й ВМП довговiчнiсть виявилась бшьше нормативно! 2-106 циклiв (залитий квадрат на рис. 3). Такий високий (наближений до границ теку-чостi) рiвень напружень сприяв значному пластичному деформуванню металу бшя концентратора i утворенню залишкових напружень стискання (як при перевантаженш). В результатi цього додаткового ефекту пщвищив-ся опiр втомi зварних з'еднань пiсля напрацю-вання i ВМП (залитi кружки) вiдносно до обро-блених ВМП вiдразу тсля зварювання (свiтлi кружки).
г » * •
а. □ ■ т Г" - а ■—Ш-О < о ——г т ' т
£ •] 1 [
1ВО | \ I 1В0
-ч
;м ' V
МО3 Мо6 З'Ю®
Ы, цикли
Рис. 3. Крив1 втоми таврових зварних з'еднань (СтЗсп): ▼ - вихщний тсля зварювання стан;
о - ВМП вщразу тсля зварювання; • - ВМП тсля випробування до 50 % довгов1чносп; ■ - те саме до 95 %
Суттеве тдвищення довговiчностi пiсля ВМП спостерiгаеться i для зварних з'еднань металоконструкцiй, що мають трщини вiд втомленостi глибиною до 1 мм. Так, довговiч-шсть таврового з'еднання iз стат 10ХСНД у вихiдному станi тсля зварювання досягла приблизно 300 тис. циктв змiн навантажень (стах = 220 МПа, Яа = 0). В результат ВМП зони переходу вщ металу кутового шва до основного матерiалу, в якiй виникла трщина втоми (глибина до 1 мм), довговiчнiсть зразка перевищила 2-106 циклiв.
Наведенi результати свiдчать про високу ефектившсть використання ВМП для подов-ження ресурсу металоконструкцiй, що експлу-атуються, зi значними накопиченнями пошкод-
жень вiд утомленостi в зонах концентраторiв напружень зварних швiв.
Способи гальмування втомних трiщин
В зварних металоконструкщя, якi експлуа-туються в умовах перемшного навантаження, зароджуються i розвиваються трiщини втоми. Необхщтсть в подовженнi ресурсу таких ме-талоконструкцiй вимагае розробки надiйних способiв гальмування трiщин, що розвиваються. З метою сшвставлення поряд з новими розглядались вiдомi способи, яю сьогоднi вико-ристовують на практищ. Серед них висверд-лювання в зон вершини трiщини втоми отвору без або з установленням в нього високомщного болта для створення стискувальних напру-жень [11].
Великомасштабт плосю зразки для дослщ-жень iз сталi 10ХСНД i ВСтЗсп товщиною вiдповiдно 12 i 14 мм мали початкову наскрiзну трщину вiд утомленостi довжиною 2ао. Пюля застосування зазначених в табл. 2 способiв гальмування трiщин циклiчне навантаження зразюв здiйснювали у м'якому режимi (пщ-тримка постiйним зусилля) при вщнульовш асиметри (Яс = 0) i максимальному напруженнi ^тах = 150 МПа. За побудованими залежностя-ми шдростання трiщини вiд кшькосп циклiв змiнного навантаження до повного руйнування зразкiв визначався коефiцiент збшьшення дов-говiчностi Кд (табл. 2).
З розглянутих способiв заслуговують на увагу створення на шляху розвитку трщини вщ утомленостi залишкових напружень стискуван-ня за допомогою короткочасного локального на^вання металу до температури близько 350 °С на невеликiй вiдстанi вiд вершини трь щини (Кд = 19). Для конкретних випадкiв тех-нологiчнi параметри на^вання визначаються за допомогою розв'язання термопружно! задачi за умови створення на шляху розвитку трщини вщ утомленост максимальних напружень сти-скування. Достатньо ефективним (Кд = 21) е установлення в отвiр бiля вершини трiщини вщ утомленостi високомiцного болта з натягом 20 тс. Кд > 41 дае ремонт трщин за допомогою зварювання. Найбшьш радикальним способом запобиання розвитку трiщини втоми е И ремонт зварюванням i ВМП зони переходу вщ металу ремонтного шва до основного матерiалу. Дов-говiчнiсть в цьому випадку перевищуе норма-тивну - 2-106 циклiв (табл. 2).
На базi проведених дослщжень для Укрза-лiзницi складено вщповщш «Рекомендаций з подовження ресурсу суцшьностшчастих звар-
них прогонових будов залiзничних мостiв з пошкодженнями вiд утомленостi, в яких запо-чатковано ремонт трiщин за допомогою зварю-вання i ВМП [12].
Висновки
Забезпечення довговiчностi зварних прогонових будов залiзничних моста передбачае вжиття вiдповiдних заходiв на вшх стадiях !х
життевого циклу, якии включае проектування, виготовлення i експлуатацiю. В роботi не ставилась задача детально проанатзувати весь комплекс заходiв, що сьогоднi використову-еться, а висвiтлити тiльки тi з них, як недо-статньо ефективш i запропонувати шляхи попередження зародження i розвитку руИну-вання.
Таблиця 1
Границя витривалосл зварних з'еднань ак на базi 2-10 цик пи навантаження
Тип з'еднання Умови випробувань МПа Шдви-щення гранищ витрива-лоста, %
Наван-тажен-ня Коеф. асиметри циклу, я. Вимдний стан Шсля оброб-ки
Маловуглецева сталь (стВ = 435.. .460 МПа)
Стикове Розтяг 0 140 220 57
З поперечними ребрами, привареними кутовими швами Розтяг 0 113 164 45
Хрестопод1бне 4-точ-ковии згин 0,25 142 234 64
-0,5 165 282 71
Низьколегована сталь (стВ = 520.. .590 МПа)
Таврове Згин 0 168 290 73
З поперечними ребрами, привареними кутовими швами Згин 0 198 341 72
З поздовжшми планками, привареними кутовими швами Розтяг 0 86 180 110
Високомщна сталь (стВ = 820 .. .1000 МПа)
Стикове Згин -1 180 300 66
Розтяг 0 129 224 74
Згин 0,6 135 175 30
З поперечними ребрами, привареними кутовими швами Згин -1 80 240 200
Згин 0 110 230 109
Згин 0,6 80 105 31
Таврове Згин 0,1 135 397 192
Алюмш1ев1 сплави (стВ = 290...335 МПа)
Стикове Розтяг 0,1 71 86 21
Напускне з поперечними кутовими швами Розтяг 0,1 20 35 78
З поздовжшми планками, привареними кутовими швами Розтяг 0,1 35 68 95
Таблиця 2
Результати экспериментальна дослщжень ефективност1 способ1в гальмування втомних тр1щин в плоских зразках i3 стал1 ВСтЗсп (2а0 = 76 мм; R = 0, amax = 150 МПа)
Тип зразка Споаб гальмування трщини Довговiчнiсть, N, цикли Коефщент збшьшення довговiчнoстi, Кд
1 Вихщний стан 35000
2 Висвердлювання отворiв 023мм бшя вершин трiщин 52200 1,45
2' Те саме з наступим наклепом поверхш отворiв високочастотною мехашчною проковкою (ВМП) 84500 2,41
3 Установка в отвори високомщних болтiв 022мм з натягом 20 тс 730550 20,87
4 Локальна вибухова обробка 277700 7,93
5 Локальний на^в 668300 19,09
6 Ремонт трщин зварюванням 1450000 41,43
6' Те саме i ВМП > 2-106
Таблиця 3
Ефектившсть застосування високочастотноТ мехашчноТ проковки (ВМП) при ремонт зварюванням пошкоджених трщинами елемен^в конструкцiй (максимальне напруження при випробуванш зразкш
на втому omax = 150 МПа, асиметрiя циклу R„ = 0)
№ п/п
Есюз зразка
Cnoci6 гальмування трщини
Сумарне число циклш до утворення трщини i руйнування зразка
Вихiдний стан
35000
Ремонт трщини зварюванням i ВМП зони переходу вщ металу шва до основного матерiалу
598600 403800* середне: 501200 (збiльшення довговiчностi в 14,00 разiв) >2000000**
Те саме без ВМП
1450000 (збшьшення довговiчностi в 41,43 разiв)
Примтки: - трщини зароджувались вщ внутрiшних дефектiв з'еднання;
- з'еднання без дефектiв зварювання, трщини зароджувались з поверхш перехщно1 зони
1
2
Стадiя проектування
Для зварних металоконструкцш, яю експлу-атуються в умовах перемшного навантаження, принципове значення мае конструктивне офор-млення зварних вузлiв. Його недосконалють в прогонових будовах залiзничних мостiв при-зводить до виникнення в елементах додаткових локальних напружень i вiбрацiй, якi сприяють ранньому зародженню трiщин втоми. В таких випадках навряд чи рацiонально вживати шших заходiв для компенсацiï зниження довговiч-ностi вузлiв за рахунок факторiв, якi не прий-маються до уваги при розрахунках на втому.
Основш принципи конструювання зварноï прогоновоï будови, не схильноï до зародження трiщини втоми, започаткованi в 1ЕЗ iм. G. О. Патона НАН Украïни.
Стадiя виготовлення
Для шдвищення опору втомi зварних з'еднань, який у вихщному станi шсля зварювання нижчий порiвняно з основним матерiалом, до-цiльно використовувати високочастотну меха-нiчну проковку (ВМП) зони сплавлення. В результат зменшення коефщента концен-трацiï напружень, утворення за рахунок пластичного деформування залишкових стискальних напружень i деформацшного змiцнення поверх-невого шару металу, циктчна довговiчнiсть пiдвищуеться у 8.10 разiв, а границя витри-валост на базi 2-106 циклiв перемш навантаження на 30.200 % залежно вiд умов циклiчного навантаження, мехашчних власти-востей основного матерiалу, концентрацiï напружень, обумовлено1' типом i формою з'еднання, залишкових напружень i параметрiв ВМП.
Стадiя експлуатацп
Для подовження ресурсу зварних металоконструкцш шсля деякого термшу 1'х експлуатацiï i накопичення втомних пошкоджень в зонах концентраторiв напружень, вклю-чаючи зародження втомно1' трiщини глибиною до 1 мм, ефективне використання ВМП. В ре-зультатi ВМП довговiчнiсть практично вiднов-люеться.
Трiщини втоми, як розповсюджуються, пропонуеться гальмувати створенням на шляху 1'х розвитку залишкових напружень стиску-вання за допомогою короткочасного локального на^вання металу до температури близько 350 оС на невеликiй вiдстанi вiд вершини тр> щини. Для конкретних випадкiв технолопчш параметри нагрiвання визначаються за допомо-
гою розв'язку термопружно! задачi за умови створення на шляху розвитку трщини макси-мальних напружень стискування. При цьому довговiчнiсть пiдвищуeться до 20 роюв.
Подiбний ефект дае висвердлення отвору бiля вершини трщини втоми i встановлення в нього високомщного болта з натягом 20 тс.
Довговiчнiсть елемента конструкци шсля ремонту трщини за допомогою зварювання i ВМП перевищуе нормативну - 2-106 циклiв.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. ДБН В.2.3-14:2006 Споруди транспорту. Мости та труби. Правила проектування [Текст] /
A. I. Лантух-Лященко та ш. - К.: Мшбуд Укра!-ни, 2006. - 359 с.
2. Лучко, Й. Й. Мехашка руйнування мостових конструкцш та методи прогнозування !х зали-шково! довгов1чносл [Текст] / Й. Й. Лучко, Г. Т. Сулим, В. I. Кир'ян; за ред. Й. Й. Лучка // НАН Укра!ни. Ф1з.-мех. ш-т 1м. Г. В. Карпенка. Мехашка руйнування та мщшсть матер1ал1в: Доввдник. Поабник. - Т. 6. - Льв1в: Каменяр, 2004. -885 с.
3. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках [Текст] / В. И. Труфяков др.; под ред. В. И. Труфякова. - К.: Наук. думка, 1990. -256 с.
4. New approach to the creation of solid-walled welded span structures of railway bridges [Текст] / V. I. Trufiakov et al. // Welding and Surfacing Rev. - 1997. - V. 8. - P. 249-255.
5. Михеев, П. П. Повышение сопротивления усталости сварных соединений конструкций ультразвуковой ударной обработкой [Текст] / П. П. Михеев // Проблемы сварки и специальной электрометаллургии: Сб. науч. тр. - К.: Наук. думка. 1990. - С. 41-47.
6. Споаб обробки зварних з'еднань металоконструкцш високочастотною проковкою [Текст]. Пат. Укра!ни № 60390 / Л. М. Лобанов та ш. -Опубл. 15.10.2003. - Бюл. № 10.
7. Повышение сопротивления усталости сварных соединений металлоконструкций высокочастотной механической проковкой (Обзор) [Текст] / Л. М. Лобанов и др. // Автомат. сварка. - 2006. - № 9. - С. 3-11.
8. Эффективность применения ультразвуковой обработки для повышения сопротивления усталости сварных соединений [Текст] / П. П. Михеев и др. // Автомат. сварка. - 1984. - № 3. -С. 4-7.
9. Лобанов, Л. М. Пвдвищення ресурсу зварних металоконструкцш високочастотною мехаш-чною проковкою [Текст] / Л. М. Лобанов,
B. I. Кир'ян, В. В. Книш // ФХММ. - 2006. -№ 1. - С. 56-61.
10. Кир'ян, В. I. Продовження термшу експлуатацп зварних металевих прогонових будов моспв з
трщинами втоми [Текст] / В. I. Кир'ян,
B. В. Книш, Г. О. Линник // Автомобшьш дороги та дорожне буд1вництво. Сучасш проблеми проектування, буд1вництва та експлуатацп спо-руд на шляхах сполучення. - 2006. - № 73. -
C. 121-126.
11. Кир'ян, В. I. Продовження ресурсу металевих прогонових будов зал1зничних моспв з втом-ними пошкодженнями [Текст] / В. I. Кир'ян, В. В. Книш, О. З. Кузьменко // Проблеми ресурсу 1 безпеки експлуатацп конструкцш, спо-
руд та машин. - К.: 1ЕЗ 1м. £. О. Патона НАН Укра!ни, 2006. - С. 358-360.
12. ЦП-0176 Рекомендацп з огляду, шдсилення, ремонту та зб1льшення експлуатацшного ресурсу сущльноспнчатих зварних прогонових будов [Текст] / В. I. Кир'ян та ш. - К.: Укрзал1зниця. Головне управлшня колшного господарства, 2007. - 48 с.
Надшшла до редколегп 20.12.2008.
