УДК625.143

Бакытов Алмас – инженер КУПС (Алматы)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ ВРАЩЕНИЮ РЕЛЬСА

 

Многие исследователи устойчивости бесстыкового пути установили, что жесткость рельсов и рельсовых скреплений КБ65 вносит примерно 30% в устойчивость пути. При преодолении жесткости рельсов и сопротивлений в узлах промежуточных рельсовых скреплений происходит потеря устойчивости первого рода, когда начинается поворот элементов в узлах конструкции, но сами узлы не смещаются.  При исчерпании первых 30% устойчивости и при дальнейшем накоплении потенциальной энергии сжатия рельсов начинаются поперечные перемещения шпал. Если они не превышают 0.2мм, то, как показал анализ данных экспериментальных исследований ВНИИЖТ, при охлаждении рельсов шпалы возвращаются в исходное положение.  Остальные 70% сопротивлений выбросу пути обеспечивается сопротивлением поперечному перемещению шпал. Когда поперечные перемещения рельсов превышают 0.2мм – начинается процесс накопления остаточных деформаций рельсовой колеи. При дальнейшем накоплении энергии сжатия рельсов может наступить критический момент выброса пути с большим смещением рельсовых нитей (рис.1).

a) - на прямой, б) - в кривой.

Рисунок. 1. Примеры выброса бесстыкового пути:

 

Устойчивое равновесие бесстыковой плети возможно лишь в случае, когда нагрев рельсов сверх температуры закрепления не исчерпает местной устойчивости, соответствующей потере устойчивости первого рода.

Потеря устойчивости 1 рода характеризуется внезапным появлением принципиально новой формы равновесия. Сила, при которой происходит переход системы в новое положение равновесия называется критической. При потере устойчивости 1 рода появляются большие динамические нагрузки, что, как правило, приводит к местному разрушению конструкции. В момент потери устойчивости возможна ещё и первоначальная форма равновесия, но возможна уже и новая, то есть происходит бифуркация, или раздвоение форм равновесия.

При потере устойчивости 2 рода новая форма равновесия не появляется. Пока действующая нагрузка невелика, наблюдается пропорциональность между ростом нагрузки и перемещениями конструкции. Но при критическом значении нагрузки начинается неограниченный рост перемещений вплоть до разрушения конструкции. Рост перемещений не останавливается даже при уменьшении нагрузки.

Потеря устойчивости первого рода зависит от эпюры шпал и сопротивлений повороту и продольному смещению рельса в узле промежуточного скрепления. Под руководством профессора Альбрехта В.Г. во ВНИИЖТе /1-2/ исследовалось сопротивление повороту рельса в скреплении КБ65. Другие варианты рельсовых скреплений в этом отношении не исследовались. Этим определяется актуальность исследования сопротивлений повороту и продольному сдвигу новых типов упругих промежуточных рельсовых скреплений.

Для экспериментального получения характеристик сопротивления повороту рельса при разных типах промежуточных рельсовых скреплений рассмотрим характерные особенности исследуемого процесса. Рельс, движущийся по подрельсовой прокладке можно схематически представлено на рисунке. 2.

 

Рис. 1

 

Рисунок. 2 Движение рельса по неподвижной подрельсовой прокладке

Подрельсовую прокладку можно считать неподвижной, так как она или закреплена на металлической подкладке или (для бесподкладочных скреплений) коэффициент трения подрельсовой прокладки по бетону выше, чем коэффициент трения стали по прокладке.

Сопротивление рельса повороту, в основном, связано с трением рельса по подрельсовой прокладке, которое в свою очередь зависит от силы прижатия рельса клеммами к железобетонной шпале.

В этом процессе имеет место преодоление внешнего трения покоя. Если составляющая приложенной к телу силы, лежащая в плоскости соприкосновения двух тел, недостаточна для того, чтобы вызвать скольжение данного тела относительно другого, то возникающая сила трения называется неполной силой трения (участок OA на рисунке 3); она вызвана малыми (~ 1 мкм) частично обратимыми перемещениями в зоне контакта, величина которых пропорциональна приложенной силе и изменяется с увеличением последней от 0 до некоторого максимального значения (точка А на рис. 3), называемого силой трения покоя; эти перемещения называются предварительными смещениями. После того как приложенная сила превысит критическое значение, предварительное смещение переходит в скольжение, причем сила Трение внешнее несколько уменьшается (точка A1) и перестает зависеть от перемещения (сила трения движения).

 

Рисунок 3. Значение силы трения в зависимости от относительного смещения трущихся тел при сдвиге, переходящем в скольжение.

 

Сила сопротивления, направленная противоположно относительно перемещению данного тела, называется силой трения, действующей на это тело. Внешнее трение — диссипативный процесс, сопровождающийся выделением тепла, электризацией тел, их разрушением и т.д. Из за волнистости и шероховатости каждой из поверхностей, касание двух твердых тел происходит лишь в отдельных "пятнах", сосредоточенных на гребнях выступов. Размеры пятен зависят от природы тел и условий внешнего трения. Более жесткие выступы внедряются в деформируемое контртело, образуя единичные пятна реального контакта, на которых возникают силы прилипания (адгезия, связи, взаимная диффузия и др.). В результате приработки пятна касания бывают "вытянуты" в направлении движения. Диаметр эквивалентного по площади пятна касания составляет от 1 до 50 мкм в зависимости от природы поверхности, вида обработки и режима внешнего трения. При скольжении эти пятна наклоняются под некоторым углом к направлению движения, материал раздвигается в стороны и подминается скользящей неровностью, а пятна прилипания, образующиеся из поверхностных пленок, покрывающих твердое тело, называются мостиками, непрерывно разрушаются (срезаются) и формируются вновь. В этих пятнах реализуются напряжения лишь в несколько раз меньшие теоретической прочности материала. Сопротивление оттеснению материала при сдвиге зависит от безразмерной характеристики h/R — отношения глубины h внедрения единичной неровности, моделированной сферическим сегментом, к его радиусу R. Это отношение определяет механическую составляющую силы внешнего трения.

Большей частью описанное формоизменение упруго и рассеяние энергии обусловлено потерями на гистерезис. В пятнах касания возникают силы межмолекулярного взаимодействия, потери на преодоление которого оцениваются безразмерной характеристикой t/ss , где t — сдвиговое сопротивление молекулярной связи, ss — предел текучести основы. Молекулярное сдвиговое сопротивление t = t0 +br, где t0 — прочность мостика при отсутствии сжимающей нагрузки, r — фактическое давление на пятне касания, b — коэффициент упрочнения мостика. Каждое пятно касания (так называемая фрикционная связь) существует лишь ограниченное время, так как выступ выходит из взаимодействия. Продолжительность жизни фрикционной связи — важная характеристика, так как определяет температуру, развивающуюся при внешнем трении, износостойкость и др. Таким образом, процесс внешнего трения представляет собой двойственный процесс — с одной стороны он связан с диссипацией энергии, обусловленной преодолением молекулярных связей, с другой — с формоизменением поверхностного слоя материала внедрившимися неровностями. с пониженным сопротивлением сдвигу. Нагрузка, при которой внешнее трение нарушается для данной пары трения, называется порогом внешнего трения.

Планирование эксперимента целенаправленное управление экспериментом, реализуемое в условиях неполного знания механизма изучаемого явления. В процессе измерений, последующей обработки данных, а также формализации результатов в виде математической модели, возникают погрешности и теряется часть информации, содержащейся в исходных данных.  Для получения объективных данных необходимо выполнять однотипные измерения такое количество раз, которое позволяло бы выполнить статистическую обработку экспериментальных данных. В связи с этим опыты по оценке сопротивлений сдвигу рельса в узле скрепления выполнялись не менее 20 раз и определялось среднее значение (математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации). Эксперименты выполнялись в цеху шпалозавода ООО»Магнетик» и на эксплуатирующихся участках пути (оценка сил прижатия рельса клеммами).

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Альбрехт В.Г. О продольных силах, возникающих на поверхности соприкасания подошвы рельса и основания при проходе колес подвижного состава. Труды МИИТа, вып.80. – М., Транспорт, 1955. С.5-112.

2. Альбрехт В.Г. Особенности устройства верхнего строения пути на скоростных линиях.// Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути. Под ред. В.Г. Альбрехта и А.Ф. Золотарского.- М.: Транспорт, 1975.- С- 229-261.

 

Резюме

В статье приведены экспериментальные исследования сопротивлений вращению рельса.