CC BY
42
Оригинальная статья / Original article УДК 625.1/.5
http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-2-217-229
ОЦЕНКА СХОДИМОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НОВОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСТЯГИВАЮЩИХ УСИЛИЙ
© О.В. Мельниченко1, А.Ю. Портной2, В.М. Агафонов3, А.О. Линьков4, С.Г. Шрамко5, Д.А. Яговкин6, Р.И. Устинов7
Иркутский государственный университет путей сообщения, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Обеспечение сходимости математической модели рельсовых плетей и ее физической модели путем сравнения их амлитудно-частотных характеристик для исследования нового способа определения растягивающих усилий. МЕТОДЫ. Сравнение резонансных частот результатов физического и математического моделирования. РЕЗУЛЬТАТЫ. В ходе сравнения результатов физического и математического моделирования получены значения отклонений резонансных частот для физических и математических моделей методом конечных элементов (МКЭ). ВЫВОДЫ. Полученная сходимость результатов физического и математического моделирования МКЭ рельсового пути позволит в дальнейшем исследовать новый способ определения растягивающих усилий.
Ключевые слова: железнодорожный путь, напряженное состояние, физическая модель, математическая модель, метод конечных элементов.
Информация о статье. Дата поступления 11 декабря 2017 г.; дата принятия к печати 20 февраль 2018 г.; дата онлайн-размещения 27 февраль 2018 г.
Формат цитирования: Мельниченко О.В., Портной А.Ю., Агафонов В.М., Линьков А.О., Шрамко С.Г., Яговкин Д.А., Устинов Р.И. Оценка сходимости характеристик разработанных моделей рельсового пути для исследования нового способа определения растягивающих усилий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 2. С. 215-227. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-2-217-229
1
Мельниченко Олег Валерьевич, доктор технических наук, доцент, член-корреспондент Российской инженерной академии, заведующий кафедрой электроподвижного состава, e-mail: olegmelnval@mail.ru Oleg V. Melnichenko, Doctor of technical sciences, Associate Professor, Corresponding Member of the Russian Engineering Academy, Head of the Department of Electric Rolling Stock, e-mail: olegmelnval@mail.ru
2Портной Александр Юрьевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, механики и приборостроения, e-mail: portnoyiriit@yandex.ru
Alexander Yu. Portnoy, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Physics, Mechanics and Instrument Engineering, e-mail: portnoyiriit@yandex.ru
3Агафонов Владимир Михайлович, инженер кафедры физики, механики и приборостроения, e-mail: agafonov_vm@irgups.ru
Vladimir M. Agafonov, Engineer of the Department of Physics, Mechanics and Instrument Engineering, e-mail: agafonov_vm@irgups.ru
4Линьков Алексей Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроподвижного состава, e-mail: linkovalex@mail.ru
Aleksey O. Linkov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Rolling Stock, e-mail: linkovalex@mail.ru
5Шрамко Сергей Геннадьевич, кандидат технических наук, заведующий лабораториями кафедры электроподвижного состава, e-mail: novorosserg@mail.ru
Sergey G. Shramko, Candidate of technical sciences, Head of the Laboratories of the Department of Electric Rolling Stock, e-mail: novorosserg@mail.ru
6Яговкин Дмитрий Андреевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электроподвижного состава, e-mail: yadima11_06@mail.ru
Dmitry A. Yagovkin, Candidate of technical sciences, Senior lecturer of the Department of Electric Rolling Stock, e-mail: yadima11_06@mail.ru
7Устинов Роман Иванович, аспирант, учебный мастер кафедры электроподвижного состава, e-mail: romust93@mail.ru
Roman I. Ustinov, Postgraduate student, Training Master of the Department of Electric Rolling Stock, e-mail: romust93@mail.ru
EVALUATION OF DEVELOPED RAILROAD TRACK MODEL CHARACTERISTICS CONVERGENCE TO STUDY A NEW METHOD OF TENSILE FORCE DETERMINATION
O.V. Melnichenko, A. Yu. Portnoy, V. M. Agafonov, A.O. Linkov, S.G. Shramko, D.A. Yagovkin, R.I. Ustinov
Irkutsk State Transport University,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. The Purpose of the study is to ensure the convergence of the rail bar mathematical model and its physical model through the comparison of their amplitude-frequency characteristics in order to study a new method of tensile stress determination. The METHODS used in the study include comparison of the resonant frequencies of the results of physical and mathematical modeling. RESULTS. Having compared the results of physical and mathematical modeling, we obtained the values of resonance frequency deviations for the physical and mathematical models by the finite element method (FEM). CONCLUSIONS. The obtained convergence of the results of physical and mathematical FEM simulation of the track will allow further researches of a new method of tensile stress determination. Keywords: railway track, stress condition, physical model, mathematical model, finite element method (FEM). Article info. Received December 11, 2017; accepted February 20, 2018; available online February 27, 2018.
For citation: Melnichenko O.V., Portnoy A.Yu., Agafonov V.M., Linkov A.O., Shramko S.G., Yagovkin D.A., Ustinov R.I. Evaluation of developed railroad track model characteristics convergence to study a new method of tensile force determination. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 2, pp. 215-227. (In Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2018-2-217-229
Введение
В связи с увеличением грузопотока усложняются условия эксплуатации подвижного состава железных дорог. На сегодняшний день в Российской Федерации широко используется бесстыковой путь, состоящий из рельсовых плетей длиной в один километр и более. В то же время колебания температур от минус 50 °С до плюс 50 °С обусловливают температурные расширения и сжатия рельсового пути, при этом соответствующие сжатия и растяжения создают дополнительные напряжения в рельсах. Летом сжатия пути обусловливают возможность выдавливания пути, зимой растяжения - возможность практически мгновенных разрывов пути, что снижает
безопасность движения на российских железных дорогах, особенно для организации скоростного и тяжеловесного движения8 [1, 2].
Сжатия и растяжения рельсов, возникающие при укладке и закреплении плетей, требуют контроля их характеристик как после укладки, так и в период эксплуатации. Контролировать необходимо не только дефектоскопией на образование трещин в рельсах, но и вести контроль напряженного их состояния, т.к. изломы рельсов, особенно при низких температурах, имеют картину быстроразвивающихся трещин, мгновенно растущих дефектов, которые были характерны для плетей длиной 25 метров [3].
Методы контроля растягивающих усилий
Известны существующие методы контроля растягивающих усилий, действующих на рельс, например, заключающийся в том, что в рельсе выполняется отверстие, закрепляется датчик (с использованием тензорезисторов), реагирующий на изменение геометрических размеров отверстия [4]. Недостатком метода является то, что
снижается механическая прочность рельса, а также то, что датчик реагирует только на изменение растягивающих усилий.
Известен способ и устройство для измерения напряжений в рельсах, который производится с использованием тензорези-стивных датчиков, наклеенных на рельс или шпалы. Недостатком метода является
Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути: распор. ОАО «РЖД» от 14 декабря 2016 г. № 2544р (взамен № 2788р). М., 2016. 176 с. / Instructions for the design, laying, maintenance and repair of the continuous welded railway track: thrust. Russian Railways JSC 14 December, 2016 No. 2544 р (in replacement of No. 2788р). M., 2016. 176 p.
то, что датчики должны быть наклеены на ненапряженный рельс до укладки его в шпальную решетку, а количество датчиков должно быть достаточно большим [5].
Известна система измерения усилий, действующих на рельс с использованием зависимости скорости распространения ультразвука в рельсе в зависимости от действующих на рельс напряжений [6]. Недостатком системы является слабая зависимость скорости распространения ультразвуковых колебаний от внутренних напряжений рельса, что делает метод недостаточно чувствительным к внутренним напряжениям при изменении геометрических параметров рельса, температуры и т.п.
Суть оригинального способа измерения растягивающих усилий, показанного на рис. 1, заключается в следующем: если рельс 1, растягиваемый силой Р, закрепить в двух или более точках 3, на рельс между этими точками установить груз 2 достаточно большой массы М, то полученная система будет обладать свойствами маятника с сосредоточенными параметрами. Частота собственных колебаний такого маятника (груза) в направлениях перпендикулярных рельсу будет зависеть от величины растягивающей силы Р. Эта частота являться параметром, по которому можно измерять растягивающую силу. Также сигналом, зависящим от растягивающей силы, является амплитудно-частотная характеристика колебаний такой системы [7].
Для оценки сходимости физических и математических моделей разработана физическая модель рельсового пути, представленная на рис. 2. Модель включает в себя: 1 - два металлических уголка, имитирующих рельсовое полотно с деревянными шпалами; 2 - натяжное устройство; 3 - датчик вибрации; 4 - устройство для возбуждения колебаний (динамик); 5 - динамометр (исключающийся при измерениях); 6 - микрометрический датчик, позволяющий оценивать растяжение модели пу-
ти без применения динамометра по изгибу пластины из пружинной стали; 7 - пластина из пружинной стали.
Для имитации рельсового полотна использовался металлический уголок, шпалы имитировались деревянными брусками.
Рис. 1. Схема устройства по измерению растягивающих усилий Fig. 1. Diagram of the device for measuring tensile forces
Динамометрический датчик9 использовался для калибровки пластины из пружинной стали 7, с изменением ее деформации с помощью микрометрического индикатора 6. В дальнейшем динамометрический датчик из системы исключается, так как является пружиной и слишком сильно влияет на изменение резонансных частот. На рис. 3 показана схема измерения резонансных частот рельсового пути.
9ГОСТ 14959-2006. Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Введен 1981-01-01. М.: Изд-во Стандартинформ, 2009. 10 с. / GOST 14959-2006. Rolled stock from spring carbon and alloy steel. Introduced 1 January 1981. Moscow: Standartinform Publ., 2009. 10 p.
3 4 15 2
) )
1 1 1 1 t 1 П 1 — 7
ль ® © Ï in ® # «
г 1 \ 1 6
" m © \ ® \ ф ~
U U L \ U L \\ u
)
1900
Рис. 2. Физическая модель рельсового пути Fig. 2. Physical model of the rail track
Рис. 3. Схема измерения резонансных частот в рельсовом пути Fig. 3. Measuring diagram of resonance frequencies in the track
При измерениях резонанса физической модели были получены следующие характеристики: резонансная частота при
растягивающем усилии 100 Н составляет 39,2 Гц; резонансная частота при растягивающем усилии 3100 Н составляет 42,5 Гц.
Разработка математических моделей
Расчет параметров конечных элементов (КЭ) модели производился в среде MSC Nastran [8]. Во всех случаях использовались свойства материалов в упругой области без учета пластичности материалов. Рельсы, как на математической модели, так и на физической использовались из марки стали Ст310,11 [0], шпалы - анизотропный материал - дерево, методы соединения рельс - шпала - неподвижный контакт (glue contact). Граничные условия закрепления -шарнирные. Элементы конструкции моде-
лировались трехмерным конечным элементом (типа solid) [10].
Модель I рельсовых плетей показана на риа 4, представляет собой два металлических уголка, имитирующих рельсовые плети. Граничные условия представляют собой шарнирное закрепление по краям рельсов. Присоединение торцов рельсов к шарниру осуществляется при помощи невесомых абсолютно жестких стержней, которые передают все нагрузки без потерь.
3100 Н
Рис. 4. Модель I рельсовых плетей Fig. 4. Model I of rail bars
ГОСТ 380-2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества. 2007-07-20. М.: Изд-во Стандартинформ, 2009. 4 с. / GOST 380-2005. Carbon steel of commercial quality. 2007-07-20. Moscow: Standartinform Publ., 2009. 4 p. 11 ГОСТ Р 51685-2013. Рельсы железнодорожные. Взамен ГОСТ Р 51685-2000; введ. 2013-10-14. М.: Изд-во: Стандартинформ, 2014. 118 с. / GOST R 51685-2013. Railway rails. In replacement of GOST R 51685-2000; Introduced 14 October 2013. Moscow: Standartinform Publ., 2014. 118 p.
Нагружение представляет собой возмущающую силу в 10 Н приложенную в центре пролета (рис. 4), с частотой колебаний изменяющейся от 0 до 140 Гц. Также к модели приложено растягивающее усилие, через невесомые абсолютно жесткие стержни. Расчет проводился для двух вариантов нагружения растягивающим усилием - 100 Н и 3100 Н. Ниже, на рис. 5 и рис. 6 представлены амлитудно-частотные характеристики при заданных растягивающих усилиях.
Как видно из рис. 5 и рис. 6, первая резонансная частота увеличивается из-за
повышения растягивающего усилия и лежит в диапазоне от 22 до 24 Гц в зависимости от величины растягивающего усилия. Недостатком этой модели является малая жесткость конструкции, не соответствующая (физической) экспериментальной модели.
Модель II рельсовых плетей, показанная на рис. 7, отличается от предыдущей тем, что в ней учтено влияние шпал. Ниже, на рис. 8 и рис. 9 представлены амлитудно-частотные характеристики при растягивающих усилиях в 100 Н и 3100 Н.
Рис. 5. Амлитудно-частотные характеристики модели I рельсовых плетей (при натяжении в 100 Н) Fig. 5. Amplitude-frequency characteristics of the model I of rail bars (under 100 N tension)
Рис. 6. Амлитудно-частотные характеристики модели I рельсовых плетей (при натяжении в 3100 Н) Fig. 6. Amplitude-frequency characteristics of the model I of rail bars (under 3100 N tension)
100 Н
Рис. 7. Модель II рельсовых плетей Fig. 7. Model II of rail bars
Рис. 8. Амлитудно-частотные характеристики модели II рельсовых плетей (при натяжении в 100 Н) Fig. 8. Amplitude-frequency characteristics of the model II of rail bars (under 100 N tension)
Рис. 9. Амлитудно-частотные характеристики модели II рельсовых плетей (при натяжении в 3100 Н) Fig. 9. Amplitude-frequency characteristics of the model II of rail bars (under 3100 N tension)
Как видно из рис. 8 и рис. 9, жесткость конструкции по сравнению с предыдущей моделью значительно возросла за счет наличия шпал, что сказалось на первой резонансной частоте, которая сдвинулась в диапазон 45-47 Гц. Присоединение абсолютно жестких стержней к торцам уголков не в полной мере обеспечивает адекватные закрепления, делая их более жесткими, чем необходимо. Такие закрепления привели к близкому расположению первой и второй резонансных частот, что вызывает биение конструкции (периодические изменения величины амплитуды при колебаниях).
Модель III рельсовых плетей, показанная на рис. 10, отличается от предыдущей тем, что в ней учтены торцевые уголки (как в экспериментальной модели), что должно обеспечить снижение жесткости закреплений. Закрепления и нагружения выполнены аналогично предыдущей модели.
Ниже, на рис. 11 и рис. 12 представлены амлитудно-частотные характеристики при растягивающих усилиях в 100 Н и 3100 Н.
Как видно из графиков, жесткость конструкции по сравнению с предыдущей моделью немного снизилась за счет введения металлических уголков на торцах мо-
дели, что сказалось на первой резонансной частоте, которая сдвинулась в диапазон 41-42 Гц. Но растягивающее усилие передается на конструкцию через абсолютные жесткие элементы, что неверно отражает реальное поведение конструкции, так как в реальности стержень натяжного устройства, за который производится растяжение, тоже растягивается.
Модель IV рельсовых плетей, показанная на рис. 13, отличается от предыдущей тем, что в ней учтено влияние торцевой пластины и стержня, через которые производится передача растягивающего усилия на рельсы и торцевые уголки (как в экспериментальной модели), что должно обеспечить еще большее снижение жесткости закреплений. Закрепления и нагружения выполнены аналогично предыдущей модели.
Ниже, на рис. 14 и рис. 15 представлены амлитудно-частотные характеристики при растягивающих усилиях в 100 Н и 3100 Н.
Как видно из амлитудно-частотных характеристик, жесткость конструкции по сравнению с предыдущей моделью немного снизилась за счет введения торцевой пластины и стержня, к которому приложено растягивающее усилие, что сказалось на
первой резонансной частоте, которая сдвинулась в диапазон 39-41 Гц. Эта расчетная модель является наиболее достоверной в сравнении с физической моделью, которая
позволит произвести исследования нового предлагаемого способа замера растягивающих усилий в рельсовых плетях.
Рис. 10. Модель III рельсовых плетей Fig. 10. Model III of rail bars
Рис. 11. Амлитудно-частотные характеристики модели III рельсовых плетей (при натяжении в 100 Н) Fig. 11. Amplitude-frequency characteristics of the model III of rail bars (under 100 N tension)
Рис. 12. Амлитудно-частотные характеристики модели III рельсовых плетей (при натяжении в 3100 Н) Fig. 12. Amplitude-frequency characteristics of the model III of rail bars (under 3100 N tension)
Рис. 13. Модель IV рельсовых плетей Fig. 13. Model IV of rail bars
Frequency
Рис. 14. Амлитудно-частотные характеристики модели IVрельсовых плетей (при натяжении в 100 Н) Fig. 14. Amplitude-frequency characteristics of the model IV of rail bars (under 100 N tension)
Рис. 15. Амлитудно-частотные характеристики модели IV рельсовых плетей (при натяжении в 3100 Н) Fig. 15. Amplitude-frequency characteristics of the model IV of rail bars (under 3100 N tension)
Заключение
На основании сходимости результатов амлитудно-частотных характеристик получена расчетная модель, которая является наиболее достоверной в сравнении с физической моделью, позволяющей проводить исследования предлагаемого авторами способа замера растягивающих усилий в рельсовых плетях.
Полученные амплитудно-частотные характеристики модели от параметров рас-
тягивающих усилий при достаточно малом изменении резонансной частоты будут дополнительно исследованы с целью получения оптимальных условий регистрации.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и ОАО «РЖД» в рамках научного проекта № 17-20-01-059\17.
Библиографический список
1. BRITISH RAILWAYS BOARD. Measuring changes in longitudinal force in the rail 1. Patent UK, no. 1336311, 1973.
2. Msc/nastran for Windows. Краткий справочник пользователя. The MacNeal Schwendler Corporation. [Электронный ресурс]. URL: https://studfiles.net/preview/2787749/ (01.12.2017)
3. Retting Manfred, Groll Peter. Method and device for determining forces exerted on a rail. Patent DE, no. 1793211, 2006.
4. Searle Donald S. Dynamic rail longitudinal stress measuring system. Patent US, no. 5386727, 1995.
5. Крейнис З.Л., Селезнева Н.Е., Бесстыковой путь. М.: Маршрут, 2005, 84 с.
6. Захаров С.М., Богданов В.М. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса. М.: Интекст, 2002. 408 с.
7. Пат. № 2487325, Российская Федерация, МПК: G01L1/00. Способ измерения растягивающих усилий, действующих на рельс, и устройство для его реализации / А.Ю. Портной, О.В. Мельниченко, С.Г. Шрамко; заявитель и патентообладатель ИрГУПС. Заявл. 26. 05.2010; опубл. 10.07.2013.
8. Стали и сплавы. Марочник: справочник / Под ред. В.Г. Сорокина, М.А. Гервасьева. М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. 608 с.
9. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: 10. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в
Транспорт, 1969. 536 с. MSC/NASTRAN for Windows. Сер. Проектирование.
М.: ДМК Пресс, 2001. 448 с.
References
1. BRITISH RAILWAYS BOARD. Measuring changes in longitudinal force in the rail 1. Patent UK, no. 1336311, 1973.
2. Msc/nastran for Windows. Kratkij spravochnik pol'zovatelja [Quick user's reference book]. The Mac-Neal Schwendler Corporation. Available at: https://studfiles.net/preview/2787749/ (1 December 2017)
3. Retting Manfred, Groll Peter. Method and device for determining forces exerted on a rail. Patent DE, no. 1793211, 2006.
4. Searle Donald S. Dynamic rail longitudinal stress measuring system. Patent US, no. 5386727, 1995.
5. Krejnis Z.L., Selezneva N.E., Besstykovoj put' [Continuous welded rail]. Moscow: Marshrut Publ., 2005, 84 p. (In Russian).
6. Zaharov S.M., Bogdanov V.M. Obobshhenie peredovogo opyta tjazhelovesnogo dvizhenija: voprosy vzaimodejstvija kolesa i rel'sa [Generalization of the
advanced experience of heavy traffic: wheel and rail interaction issues]. Moscow: Intekst Publ., 2002. 408 p. (In Russian).
7. Portnoj A.Ju., Mel'nichenko O.V., Shramko S.G. Sposob izmerenija rastjagivajushhih usilij, dejstvujush-hih na rel's, i ustrojstvo dlja ego realizacii [Measurement method of tensile forces acting on the rail and a device for its implementation] Patent RF, no. 2487325, 2013.
8. Stali i splavy. Marochnik: spravochnik [Steels and alloys. Grade guide: reference book]. M.: «Intermet Inzhiniring», 2001. 608 p. (In Russian).
9. Shahunjanc G.M. Zheleznodorozhnyj put' [The railway way]. Moscow: Transport Publ., 1969, 536 p. (In Russian).
10. Shimkovich D.G. Raschet konstrukcij v MSC/NASTRAN for Windows [Structural design in MSC / NASTRAN for Windows]. M.: DMK Press Publ., 2001. 448 p. (In Russian).
Критерии авторства
Мельниченко О.В., Портной А.Ю., Агафонов В.М., Линьков А.О., Шрамко С.Г., Яговкин Д.А., Устинов Р.И. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Authorship criteria
Melnichenko O.V., Portnoy A.Yu., Agafonov V.M., Linkov A.O., Shramko S.G., Yagovkin D.A., Ustinov R.I. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
