Введение к работе
доктор технических наук, доцент Д.В. Ермоленко
Актуальность работы.
Увеличение скоростей движения и нагрузок на оси подвижного состава вызывает повышение уровня напряжений в элементах пути, что приводит к более интенсивному возникновению различного рода дефектов в рельсах, имеющих различные размеры и различающиеся своей природой и скоростью распространения. В настоящее время, когда скорость движения пассажирских поездов может достигать 300 км/ч, грузовых - 100 - 120 км/ч и осевые нагрузки грузовых поездов могут превышать 300 кН, для безусловного обеспечения безопасности движения поездов необходимо знать возникающие в пути динамические процессы и их влияние на скорость развития дефектов в рельсах. Это, несомненно, относится и к промышленным железнодорожным путям, на которых осевые нагрузки могут изменяться от 50 до 560 кН и выше.
По действующей в настоящее время в России нормативно – технической документации рельсы с поперечными трещинами подлежат замене без промедления. Так, например, при обнаружении поперечной трещины в головке рельса происходит немедленная замена рельса (возможна установка накладок), в то время как в США допускается движение поездов по такому дефектному рельсу с ограничением скорости движения в 48 - 80 км/ч. В то же время, частота проверок рельсов средствами неразрушающего контроля на сети дорог ОАО «РЖД» существенно больше, чем на железных дорогах США, Великобритании, Австралии, Германии. Так частота проверок рельсов в России составляет 24 - 60 раз в год, в США 1 - 4 раза в год, в Великобритании 0,5 - 6 раз в год, в Австралии 0,5 - 3 раза в год, в Германии 2 - 4 раза в год. Меры, осуществляемые по результатам этих проверок, на сети дорог ОАО «РЖД» являются наиболее жесткими по сравнению со странами Европы и США. Все это говорит о некоторой избыточности проверок рельсов в России, а также о возможности пропуска поездов по дефектным рельсам с ограничениями скоростей движения при соответствующем обосновании критических размеров дефектов в данных эксплуатационных условиях. Это позволит осуществлять замену рельсов с поперечными трещинами в плановом порядке, а также дифференцировать периодичность проверок в зависимости от фактических характеристик эксплуатационного участка, в котором могут находиться дефектные рельсы.
Различные типы подвижного состава, движущегося по пути реального очертания с различными характеристиками, с разными скоростями, будут по-разному воздействовать на рельсы. Скорость развития дефектов в рельсах в эксплуатации однозначно определяется амплитудными значениями напряжений и деформаций в окрестности дефекта. В свою очередь напряженно - деформированное состояние (НДС) в окрестности трещины дефектного рельса будет зависеть не только от нагрузок, действующих на рельс, но и от реальной конфигурации трещины и ее расположения в рельсе. Таким образом, при обосновании интервалов неразрушающего контроля, а также обосновании возможной отсрочки замены дефектных рельсов в эксплуатации (критические размеры дефектов), необходимо знать НДС в окрестности поперечной трещины реальной геометрии в дефектном рельсе в эксплуатационных условиях.
Целью работы является разработка моделей, выходные данные которых количественно определяют критерии, необходимые для прогнозирования живучести дефектных рельсов типа Р65 с конкретной геометрией поперечных трещин в эксплуатации, а также позволяют произвести оценку их остаточной прочности с использованием положений линейной механики разрушения.
Задачи исследования.
В соответствии с целью диссертационного исследования определены и решены следующие задачи:
1. Разработана и практически реализована в программе «ВЭИП» методика определения силовых факторов, действующих на рельсы по протяженности пути реального очертания при движении по нему экипажа, ответственных за развитие поперечных трещин в рельсах.
2. Разработаны математические модели рельсов типа Р65 с типичными разновидностями поперечных трещин, определяющие НДС в их окрестности.
3. Определены коэффициенты интенсивности напряжений для конкретных трещин нормального отрыва на этапах развития их фронтов от действия единичных изгибных и температурных нагрузок, остаточных напряжений для дефектов подошвы рельса.
4. Разработаны функции, позволяющие аналитически определять коэффициент интенсивности напряжений первого типа в дефектных рельсах типа Р65 с конкретной геометрией поперечных трещин в зависимости от вида и величины воздействующих на них эксплуатационных силовых факторов.
Объектом исследования является рельсы типа Р65, находящиеся в эксплуатации, с типичными разновидностями поперечных трещин.
Предметами исследования являются:
- характеристики случайных функций изгибающих моментов, действующих на рельсы в вертикальной и горизонтальной плоскостях по протяженности пути при движении экипажа по пути реального очертания;
- значения коэффициентов интенсивности напряжений первого типа в дефектных рельсах с поперечными трещинами в зависимости от вида и величины изгибного нагружения, а также температурных и остаточных напряжений.
Методы исследования основаны на использовании комплекса теоретических, аналитических и численных исследований, среди которых:
- частотные и корреляционные методы исследования напряженно-деформированного состояния пути;
- метод конечных элементов;
- метод, основанный на использовании сингулярных конечных элементов, моделирующих корневую асимптотику НДС в вершине трещины в линейно - упругих телах в рамках линейной механики разрушения.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке модели и принципов расчета статистических характеристик функций изгибающих моментов, вызываемых изгибно - крутильными деформациями рельсов, действующих на них по протяженности пути или во времени при движении по нему экипажа, а также в разработке модели работы дефектных рельсов типа Р65 и последующем объединении этих двух моделей, что представлено совокупностью следующих положений:
- статистические характеристики случайных функций изгибающих моментов, действующих на рельс в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также отдельно на головку и подошву рельса при его горизонтальном изгибе и кручении определяются в различных сечениях (на разных расстояниях от точек контакта колес экипажа и рельсов) при движении конкретного экипажа по пути реального очертания с конкретными характеристиками;
- разработаны конечно-элементные модели рельсов типа Р65 с типичными разновидностями поперечных трещин, геометрия развития фронтов которых соответствует их эксплуатационному развитию. Для различных кодов (21, 24, 25, 20, 26, 65, 66, 69) дефектов, в зависимости от силовых факторов, действующих на дефектный рельсы, численно определены коэффициенты интенсивности напряжения первого типа - K1. Результаты численного решения использованы для получения специальных поправочных функций, позволяющих производить аналитический расчет K1 в дефектных рельсах с учетом эксплуатационного нагружения;
- совместное использование разработанных методик позволяет получить амплитудные значения K1 в дефектных рельсах, а также асимметрию цикла нагружения с учетом реальных характеристик экипажа, его скорости движения и различных конструкций пути. Эти данные позволяют произвести оценку живучести рельсов в эксплуатационных условиях их работы, а также определить критические величины различных усталостных трещин.
Достоверность полученных результатов и выводов.
Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждается следующим:
- статистическая модель взаимодействия пути и подвижного состава «ВЭИП» была успешно верифицирована во ВНИИЖТе на основании сопоставления результатов расчетов с данными натурных испытаний воздействия на путь конкретных типов подвижного состава, проводившихся отделением КИ ВНИИЖТ в течение многих лет. Результаты расчета статистических характеристик функций изгибающих моментов, действующих на рельсы при проходе экипажа в кривых и прямых участках пути, пересчитывались в нормальные напряжения изгиба и сопоставлялись с соответствующими выходными данными, получаемыми по стандартной программе «ВЭИП»;
- техника, используемая при создании конечно-элементных моделей дефектных рельсов и последующем расчете НДС в окрестности поперечных трещин в рельсах, верифицировалась на готовых опубликованных решениях. В частности, моделировались полоса конечной ширины с поперечной краевой трещиной, а также рельс европейского профиля типа UIC - 60 с поперечной трещиной в головке. Расхождение в результатах расчета НДС в окрестности трещин по сравнению с опубликованными решениями не превышает 5 % для рассматриваемого диапазона размеров трещин.
Практическая ценность диссертации:
1. Результаты работы используются при проведении сертификационных испытаний рельсов типа Р65 всех категорий качества c целью определения их циклической трещиностойкости («Рельсы железнодорожные широкой колеи. Стендовые испытания по определению условного предела выносливости и трещиностойкости». Типовая методика ТМ 37-52-10 Испытательного центра железнодорожной техники ИЦ ЖТ ОАО «ВНИИЖТ», Москва 2011 г.).
2. Практически реализованы алгоритмы с использованием выходных данных, которых возможно произвести оценку скоростей развития поперечных трещин в эксплуатации, а также определить критические величины дефектов различных кодов.
3. Полученные результаты рекомендуется использовать при расчете периодичности дефектоскопирования рельсов в пути, в частности, с учетом температуры.
Результаты, выносимые на защиту:
- методика расчета статистических характеристик случайных функций изгибающих моментов, действующих на рельсы в вертикальной и горизонтальной плоскостях по протяженности пути реального очертания при движении по нему экипажа;
- аналитические зависимости, позволяющие определять коэффициенты интенсивности напряжений первого типа в дефектных рельсах типа Р65 с типичными разновидностями поперечных трещин, встречающимися в эксплуатации, в зависимости от вида и величины эксплуатационного нагружения.
Апробация работы.
Материалы работы докладывались и обсуждались:
- на научных конференциях молодых ученых и аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» в 2010 и 2011 годах, г. Москва;
- на заседании секции «путевое хозяйство» научно-технического совета ОАО «РЖД» в 2010 г., г. Москва;
- на заседании Российской межведомственной рельсовой комиссии в 2010 г., г. Новокузнецк;
- на заседании научно-технического совета ОАО «ВНИКТИ» в 2011 г., г. Коломна, Московская область.
Публикации.
По материалам работы опубликовано 6 печатных работ, из них в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России-2.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников в составе 112 наименований. Диссертация изложена на 141 странице основного текста, содержит 103 рисунка, 5 таблиц и 2 приложения на 5 страницах. Общий объем работы 182 страницы.
Автор сердечно благодарит д.т.н., проф. Е.А. Шура за ценные научные консультации в области трещиностойкости железнодорожных рельсов.
