CC BY
87
12 мм. Скорость деформирования на этапе нагружения составляла 0,0082 — 0,01 с-1. Резиновый образец подвергался одноосному сжатию до уровня деформации 8ц = — 0,1679. Численное значение коэффициента Пуассона для резины V = 0,49. Результаты эксперимента на релаксацию напряжения оп(1) в условиях одноосного сжатия по данным работы [10] представлены на рис. 4.
На рис. 3 и рис. 4 сплошной линией представлены результаты проведенных автором расчетов с использованием реологических определяющих соотношений (10), а точками обозначены экспериментальные данные из работ [9] и [10] соответственно. Совпадение экспериментальных данных и результатов численных экспериментов автора можно признать вполне удовлетворительным. Максимальная погрешность не превышает 10 %, что свидетельствует о возможности вполне адекватного описания механического поведения эластомеров при помощи полученных автором реологических соотношений (10).
Библиографический список
1. Кристенсен, Р. Введение в теорию вязкоупругости / Р. Кристенсен. — М. : Мир, 1974. — 338 с.
2. Черепанов, О. И. Численное решение некоторых квази-статических задач мезомеханики / О. И. Черепанов ; отв. ред. П. В. Макаров ; Рос. акад. наук. Сиб. отд-ние. Ин-т физики прочности материаловедения. — Новосибирск : Изд-во Сиб. отд-ния. Рос. акад. наук, 2003. — 180 с.
3. Мейз, Дж. Теория и задачи механики сплошных сред / Дж. Мейз. — М. : Мир, 1974. — 318 с.
4. ТТТалай, В. В. Метод расчета необходимого количества и периодичности подтяжек бортовых соединений РКО на нача-
льном этапе эксплуатации / В. В. Шалай, И. А. Трибельский, С. Н. Поляков // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2009. — №3(83). — С. 118—120.
5. Расчетно-экспериментальные методы проектирования сложных резинокордных конструкций : монография / И. А. Три-бельский [и др.]. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. — 240 с.
6. Трибельский, И. А. Бортовые соединения резинокордных конструкций: расчетно-экспериментальные методы проектирования : монография / И. А. Трибельский. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. — 132 с.
7. Алфрей, Т. Механические свойства высокополимеров / Т. Алфрей ; под ред. М. В. Волькенштейна. — М. : Издатинлит, 1952. — 619 с.
8. Переработка каучуков и резиновых смесей : (Реологические основы, технология, оборудование) / Е. Г. Вострокнутов [и др.]. — М. : Химия, 1980. — 280 с.
9. Колтунов, М. А Прочностные расчеты изделий из полимерных материалов / М. А. Колтунов, В. П. Майборода, В. Г. Зуб-чанинов. — М. : Машиностроение, 1983. — 239 с.
10. Ломакин, Е. В. Нелинейное вязкоупругое поведение наполненных эластомерных материалов / Е. В. Ломакин, Т. А Белякова, Ю. П. Зезин // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. — 2008. — Т. 8:3. — С. 56 — 65.
КОЖУШКО Анатолий Анатольевич, старший преподаватель кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 16.02.2012 г.
©А. А. Кожушко
УДК 625.143.3:624.024 Д. В. ШИЛЕР
Омский государственный университет путей сообщения
ОЦЕНКД ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВКИ ПОВЕРХНОСТИ КДТДНИЯ РЕЛЬСОВ
Выполнены измерения геометрических параметров рельсовой колеи до и после шлифовки рельсов. Даны оценки состоянию рельсов с различными сроками эксплуатации после шлифовки.
Ключевые слова: шлифовка рельсов, эффективность шлифовки, ресурс рельсов.
В процессе эксплуатации на поверхностях катания рельсов формируется волнообразный износ, который существенно снижает их ресурс. Причиной волнообразного износа является несбалансированность напряжений в точке контакта колесо — рельс и предела текучести рельсовой стали. К этой несбалансированности напряжений приводит неудовлетворительное взаимодействие в системе «колесо — рельс».
В процессе эксплуатации существуют несколько способов управлением износом рельсов: шлифовка рельсов, лубрикация колес подвижного состава и рельсов, выбор скорости движения и настройка рессорного подвешивания подвижного состава и т.д.
Целью данной работы является обоснование метода анализа результатов рельсошлифовки и её влияние на ресурс рельсов.
Впервые образование волнообразного износа на поверхности катания рельсов было отмечено в восьмидесятых годах 19-го столетия. Однако, несмотря на длительный срок изучения явления волнообразного износа, мнения исследователей о причинах возникновения его имеют значительные расхождения, и нет ни одной теории, которая была бы признана всеми как бесспорная. Отмечается, что факторы, влияющие на волнообразный износ, очень многочисленны и разнообразны.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
х ---------►
Рис. 1. Логнормальный закон распределения амплитуд волнообразного износа
Волнообразный износ по своей форме подразделяют на два характерных вида: волнообразный износ с короткими волнами длиной от 0,03 до 0,1 м, именуемый часто «рифли», представляет собой чередующиеся светлые горбы и темные впадины, и волнообразный износ с волнами длиной от 0,2 до 2 м. Волнообразный износ на отдельных магистральных направлениях может поражать путь до 40^50 % его общей протяженности. Особенно остро встал вопрос
о волнообразном износе в последние три десятилетия в связи с увеличением осевых нагрузок, весовых норм, введением новых типов путевых конструкций с жесткими железобетонными шпалами.
Опыт эксплуатации показывает, что на линиях, имеющих значительный волнообразный износ (глубина более 0,2 мм при длине от 0,02 до 0,1 м), происходит интенсивный рост расстройства пути. Выявлены случаи влияния волнообразного износа на искусственные сооружения (ослабление и поломка болтовых соединений, повреждение полотна и береговых устоев и т. п.).
По результатам измерений геометрических параметров рельсовой колеи, полученными автором, определены законы распределения амплитуд всех видов геометрических неровностей. Г истограмма амплитуд волнообразного износа (рис. 1) имеет смещение вершин от среднего значения, поэтому согласно критерию Пирсона (р(х2) =0,1) для волнообразного износа было принято логнормальное распределение. Распределение амплитуд неровностей по логнормальному закону формируется при действии большого числа взаимно независимых факторов [1]. При этом случайный прирост пропорционален уже достигнутому к этому моменту значению амплитуды неровности (т.е. интенсивность образования волнообразных неровностей нарастает с увеличением их амплитуд). Все остальные виды неровностей рельсовой колеи (горизонтальные неровности, по возвышению рельсов уровню, ширина рельсовой колеи) имеют нормальный закон распределения амплитуд.
В частотной области спектры волнообразного износа получены через преобразование Фурье корреляционной функции. По обеим рельсовым нитям спектры волнообразного износа отличаются, как по количеству пиков, так и по амплитудам (рис. 2). Например, спектр волнообразного износа для упорной рельсовой нити имеет пять пиков на длинах волн 2,0;
Рис. 2. Спектральные плотности волнообразного износа: а) упорного рельса; б) второго рельса; в) взаимный спектр упорного и второго рельсов
1,0; 0,3; 0,175; 0,125 м, для второй нити — три пика: 4,0; 1,25; 0,3 м.
Амплитуды спектральной плотности для упорной рельсовой нити превышают в два раза уровень амплитуд спектра для второй рельсовой нити, кроме этого, оба спектра относительно друг друга сдвинуты по частотной оси на 0,5 Гц. Такое распределение волнообразного износа по рельсовым нитям обусловлено тем, что упорная нить находится по уровню ниже второй, и поэтому воспринимает более значительные по величине вертикальные и направляющие силы от колес подвижного состава.
Статистический спектральный анализ имеет ряд недостатков. Так, в спектральном методе все формы траекторий усредняются за счет преобразования в гармонический ряд, который в спектральной плотности показывает распределение дисперсии амплитуд по частотам. Поэтому по спектральной плотности невозможно идентифицировать вид и протяженность групповых волнообразных неровностей с различными длинами волн, установить форму траектории одиночной волнообразной неровности, выполнить их привязку к конкретному отрезку пути. В результате при использовании спектральной плотности теряется большая часть информации о состоянии поверхностей катания рельсовых нитей, что существенно затрудняет установление причин образования волнообразного износа.
Поэтому наряду со спектральным анализом в рамках представленной работы используется разработанный автором метод анализа параметров одиночной неровности. Как известно [2], в дифференциальном уравнении динамики в системе «колесо — рельс» возмущение от геометрической неровности представлено в числителе амплитудой, а в знаменателе длиной волны в степени квадрата. Это соотношение использовано в качестве коэффициента динамического фактора одиночной неровности волнообразного износа:
а
Хв.н = °,66— (1)
I2
где а — амплитуда неровности, мм;
1 — длина волны неровности, м.
Коэффициент пропорциональности в уравнении (1), равный 0,66, определен для значений параметров одиночной волнообразной неровности, которые для максимально допустимой скорости движения подвижного состава считаются предельными (а =1,5 мм при 1= 1,0 м, [3]). Оценка динамического воздействия волнообразной неровности на колесную пару с использованием коэффициента динамического фактора осуществляется следующим образом. Если после подстановки значений параметров исследуемой
Длина, Ь -------
8 10 м
Длина, Ь
12
Рис. 3. Волнообразный износ рельса, участок 1:
1) до шлифовки; 2) после четырех проходов шлифования, 3) после шести проходов шлифования
Рис. 4. Волнообразный износ рельса, участок 2:
1) до шлифовки; 2) после четырех проходов шлифования; 3) после шести проходов шлифования
0
2
4
6
Длина, Ь
Рис. 5. Волнообразный износ рельса, участок 3:
1) до шлифовки; 2) после четырех проходов шлифования; 3) после шести проходов шлифования
неровности в выражение (1) %В Н > 1, то силовое динамическое воздействие колеса на рельс от данной неровности превышает допускаемое динамическое давление и, наоборот, если % ВН< 1. Коэффициент фактора динамики (1) по сравнению с другими методами дает равновесные оценки по динамическому воздействию колеса на рельс для всего диапазона значений параметров волнообразных неровностей относительно предельно допустимых их значений.
Особенности технологии процесса рельсошли-фовки, применяемой в РШП-48, в рамках данной работы не рассматриваются. Шлифовка участка рельсового пути осуществляется несколькими челночными проходами РШП-48. Перед началом шлифовки с использованием путеизмерительного комплекса «Из-ген-3» были произведены измерения траекторий поверхностей катания рельсов, результаты которых представлены кривыми 1 (рис. 3 — 5). Под линиями 1 показаны траектории поверхностей катания рельсов после 4-го и 6-го проходов (кривые 2 и 3 соответственно) рельсошлифовального поезда. Разность по высоте между траекториями поверхностей соответствует абсолютному значению толщины рельсового металла, снятого шлифовкой после соответствующего количества проходов РШП-48. Следует отметить, что 1 мм высоты сошлифованного металла головки рельса соответствует 10 % от его общего ресурса.
Анализ траекторий поверхностей катания рельсов до шлифовки показывает, что в зоне отметок 1—2 м графиков (рис. 3 и 4) имеется дефект № 14 (пробуксовина). На отрезке отметок 4 — 6 м (рис. 3 и 5) присутствует неровность с длиной волны, равной
2 м и амплитудой 0,4 мм. В зоне стыковой неровности между 8- и 11-метровыми отметками сформировались короткие групповые неровности с длинами волн в пределах 0,06 — 0,5 м (рис. 3 — 5).
После двух проходов рельсошлифовального поезда волнообразный износ с длинами волн от 0,06 до 1,0 м уменьшился по амплитуде с 0,5 до 0,3 мм.
После четырех проходов РШП-48 отмечено дальнейшее уменьшение амплитуд неровностей с длинами волн меньше 1,0 м, тогда как у неровностей с большей длиной волны амплитуды остались без изменений.
После завершения шлифовки (шести проходов РШП-48) на поверхности катания рельсов осталась часть коротких неровностей, у которых коэффициент динамического фактора уменьшился с % ВН = = 2,64^3,66 до %В Н = 0,85^1,85. На отрезке метровых отметок 8 — 9 м (рис. 4) выявлено появление новой короткой неровности, которая образовалась из-за недостатков в настройке рабочих положений шлифовальных кругов. Коэффициент динамического фактора этой неровности составляет %ВН = 2,2. Дефект № 14 на отрезке метровых отметок 1—2 м (рис. 4) до начала шлифовки имел коэффициент динамического фактора равного %ВН= 1,42, а после шлифовки — %ВН= 1,42. Таким образом, уменьшение амплитуды пробуксовины до её допустимых значений (один мм) в процессе шлифовки не привело к снижению коэффициента динамического фактора, что обусловлено более интенсивным сокращением длины её волны.
Значения параметров длинных неровностей на рельсовых нитях при толщине отшлифованного металла в один мм остались без изменений. Кроме этого, выявлено, что после шлифовки длинные неровности получили сдвиг в продольном направлении на 0,5 м. Следует отметить, что значения амплитуд длинных неровностей в три раза меньше толщины сошлифо-ванного металла. Аналогичная картина наблюдается и на остальных участках рельсовой колеи, на которых была проведена шлифовка рельсов.
Выявлено, что шлифование рельсов эффективно только на 10 % общей длины шлифованного участка пути. Технологически необходимый объем сошлифованного металла составляет 3% от всего объема снятого шлифовкой металла рельса. После шлифовки на поверхности катания рельса выявлены неровности, у которых коэффициент динамического фактора превышает допустимые значения. В процессе дальнейшей эксплуатации пути оставшиеся неровности остаются источником для интенсивного образования волнообразного износа с короткой длиной волны.
Ниже приведены результаты измерений геометрических параметров пути, выполненных на участках пути с различным сроком эксплуатации после рельсошлифовки. Измерения геометрических неровностей производились на участках рельсовой колеи со следующими характеристиками:
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
0
21 0,25 I 0,5 + 0,75
мм
0
0,25 г2 0,5 I 0,75
т мм
1516 1518 1520 281522 I 1524 I 1526 ▼ мм 1530
в
У
1ДЖтГ
§
т
*ЧГГ
«Нал!»
6 \
мм
2 П1 0
2
► 4 4
4 I
2 П2 0 2 4
8 12 16 20 24 м 28
Длина продольного профиля рельса -----------------1
32
16 т
мм
8 8
40
Рис. 6. Участок рельсовой колеи: новый, железобетонные шпалы, нешлифованный
П1
Рис. 7. Участок рельсовой колеи: один год эксплуатации, железобетонные шпалы, шлифованный в начале эксплуатации
0
71 0,25
I 0,5 V 0,75
мм
0
0,25 0,5 I 0,75
▼ мм
1516 1518 1520 28 1522 I 1524 I 1526
▼ мм 1530
7^ г г V г ГГ %
^ *
1—
А- м— —^ -у
V—
ч—
г*■ — /
£ » «ч —Л —1 к /
у— 7°+*
8 12 16 20 24 м
Длина продольного профиля рельса Ь —
32
6 !
мм
2 П1 0 2
'4 \
2 П2 0 2 4
16 !
мм
8 8 4 0
Рис. 8. Участок рельсовой колеи: 15 лет эксплуатации после шлифовки, шпалы деревянные
3
5
6
0
4
8
0
4
1. Новый рельсовый путь, на котором не применялось рельсошлифование (рис. 6).
2. Рельсовый путь со сроком эксплуатации в течение одного года. Перед началом его эксплуатации было проведено корректирующее рельсошлифование (рис. 7).
3. Рельсовый путь с длительным сроком эксплуатации после рельсошлифования (рис. 8).
На графиках (рис. 6 — 8), линии: 1 и 3 — траектории волнообразного износа правой и левой рельсовых нитей, соответственно; 2 и 4 — горизонтальные неровности правой и левой рельсовых нитей, соот-
ветственно; 5 — ширина рельсовой колеи; 6 — боковой износ правой рельсовой нити.
На участке пути (рис. 6) рельсовые нити выполнены в бесстыковом исполнении с креплением на железобетонных шпалах. Сварные стыки размещены «в разбежку». На поверхностях катания рельсовых нитей зарегистрированы начальные волнообразные неровности, появление которых происходит в процессе их прокатки на прокатном стане [4 и 5], и имеют следующие параметры: длинные неровности: амплитуда — 0,6 мм, длина волны — 2 м; групповые короткие неровности: амплитуда — 0,3 мм, длина волны — 0,4 м. Последняя группа неровностей имеет динамический фактор, равный ХвН= 1,2.
На втором участке пути (рис. 7) длинные неровности соответствуют параметрам начальных неровностей. В течение года эксплуатации на промежуточных участках между начальными неровностями сформировались короткие групповые неровности со следующими параметрами: 1 = 0,3 м, а =0,3 мм, которые имеют динамический фактор, равный ХВН = = 2,2. Параметры самих начальных неровностей, в процессе эксплуатации не претерпели изменений. Такое сочетание длинных и коротких неровностей указывает на причину их образования: наличие начальных неровностей.
На третьем участке пути (рис. 8), на котором было выполнено корректирующее шлифование рельса, с длительным сроком эксплуатации после шлифовки (более 15 лет) на поверхности катания присутствуют длинные волнообразные неровности, параметры которых соответствуют параметрам начальных неровностей. В пределах волн длинных неровностей образовались неровности с короткой длиной волны 1= = 0,5 м и амплитудой, равной 0,05 мм. Длины волн коротких неровностей равны по величине межшпа-льному расстоянию, поэтому основной причиной образования коротких неровностей следует считать неравноупругость конструкции рельсошпальной решетки [6]. Амплитуды волнообразного износа левого рельсовой нити меньше, чем на правой, и это обусловлено тем, что правая рельсовая нить выполняет функцию упорной нити.
Как показывает практика применения рельсошлифовальных поездов РШП-48 на магистральных участках РЖД, шлифовка рельсов не дает ожидаемой эффективности в повышении их ресурса. Например, на Западно-Сибирской железной дороге ежегодно для своевременного удаления дефектов производится шлифование более 3000 км рельсов. Несмотря на выполняемые объемы шлифования, количество рельсов
с геометрическими дефектами поверхности катания снизилось на 10 %, а выход остродефектных рельсов по контактно-усталостным дефектам наоборот увеличился на 20 %.
Выводы
1. Рельсошлифование эффективно на 10 % длины участка шлифования.
2. Технологически необходимый объем сошлифо-ванного металла составляет 3 % от всего объема снятого шлифовкой металла рельса.
3. Начальные неровности поверхности катания рельсов, которые образуются в процессе их прокатки на металлургических заводах, по коэффициенту динамического фактора превышают допустимые значения и являются одним из основных причин формирования волнообразного износа.
4. Необходима разработка новой технологии шлифовки рельсов рельсошлифовальными поездами РШП-48, которая будет использована и на Омском отделении железной дороги.
Библиографический список
1. Менли, Р. Анализ и обработка записей колебаний / Р. Менли. — М. : Машиностроение, 1972. — 363 с.
2. Вериго, М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава / М. Ф. Вериго, А. Я. Коган. — М. : Транспорт, 1986. — 559 с.
3. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути с изменениями и дополнениями в соответствии с Указанием МПС России №С-950. ЦП-774 (23456789) : утв. от 30.05.00 / М-во путей сообщения Российской Федерации. — М. : Транспорт, 2000. — 135 с.
4. Кобызев, В. К. Коренное улучшение технологии прокатки железнодорожных рельсов / В. К. Кобызев, Д. С. Качурин, Л. Мелентьев // Сталь. - 1976. - № 2. - С. 146-149.
5. Причины и характер расстройств рельсовой колеи железнодорожного пути и особенности его проверки / О. П. Ерш-ков [и др.] // Тр. ВНИИЖТ. - 1980. - Вып. 628. - С. 5-41.
6. Яковлев, В. Ф. Геометрические неровности рельсовых нитей / В. Ф. Яковлев, И. И. Семёнов // Тр. ЛИИЖТ. -1964. - Вып. 222. - С. 29-68.
ШИЛЕР Александр Валерьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Автоматика и системы управления».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 13.12.2011 г.
© А. В. Шилер
Книжная полка
621/Я78
Ярушин, С. Г. Технологические процессы в машиностроении : учеб. для вузов по направлениям: «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» для бакалавров / С. Г. Ярушин. - М. : Юрайт, 2011. - 564 с. - 1БВЫ 978-5-9916-1337-8.
В соответствии с государственным образовательным стандартом третьего поколения раскрыто содержание основных технологических процессов, применяемых в машиностроении: начиная с методов получения различных конструкционных материалов, заготовительного производства и кончая сборкой, испытанием и контролем готовых изделий. Рассмотрены как традиционные методы формообразования деталей (обработка резанием, прокатка, штамповка и др.), так и современные (например, физико-химические). Описаны структура технологического процесса, последовательность его обработки.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
