Исследования новых типов рельсовых скреплений

Глава 1 – Обзор исследований, посвященных работе промежуточных рельсовых скреплений в пути с железобетонными шпалами            

Методика исследований промежуточных рельсовых скреплений для железобетонных шпал

Методика расчетов упругих рельсовых скреплений для железобетонных шпал

Напряженно-деформированное состояние упругих рельсовых скреплений должно определяться с использованием современных расчетных схем и конечно-элементных вычислительных комплексов, таких как COSMOS\M, ANS YS, позволяющих наиболее точно учитывать особенности взаимодействия деталей скреплений.

Исходные данные к расчетам скреплений и действующие на них нагрузки принимаются с учетом Технических требований к промежуточным рельсовым скреплениям ЦП 1-86, утвержденными МПС России.

В зависимости от целей расчета (совершенствование конкретных деталей скреплений или определение напряженно-деформированного состояния всего узла скрепления при исследовании новых конструкций), необходимо применять как уточненные конечно-элементные схемы конкретных деталей, так и расчет узлов скреплений как конструкций в целом, с учетом реального взаимодействия деталей скрепления друг с другом и реальных характеристик используемых материалов.

При создании новых видов скреплений необходимо проводить сопоставление напряженно-деформированного состояния новых и существующих конструкций в рамках одних и тех же конечно-элементных расчетных схем.

Для оценки статической прочности проводится расчет на максимально вероятные значения нагрузок, действующих на узел скрепления.

Проверка усталостной прочности проводится по средним значениям нагрузок с учетом вероятного спектра обращающихся нагрузок.

Расчетами ориентировочно определяется натяжение прикрепителей и нажатие клемм на подошву рельса при нормативной затяжке прикрепителей (для болтовых соединений – 120-180 Н*м).

Определяется сопротивление продольному сдвигу рельса в узле скрепления ри нормативной затяжке прикрепителей.

С учетом рекомендаций Технических требований ЦП 1-86 при расчете элементов скреплений должны приниматься следующие расчетные значения сил:

• вертикальные динамические силы, действующие на рельсовую нить: средние – 130-140 кН, максимальные 200 кН;
• вертикальные динамические силы, действующие на опору (узел скрепления): средние – 70 кН, максимальные – 100 кН;
• горизонтальные поперечные силы, действующие на рельсовую нить: максимальные — 100 кН;
• горизонтальные поперечные силы, действующие на узел скрепления: средние – 30 кН, максимальные – 50 кН;
• горизонтальные продольные силы, действующие на узел скрепления с учетом тормозных сил: средние – 10 кН, максимальные – 25 кН.

Методика лабораторных испытаний рельсовых скреплений для железобетонных шпал

1. Область применения

Настоящая методика разработана для проведения лабораторных испытаний новых рельсовых скреплений для железобетонных шпал с целью определения их характеристик для решения вопроса о выпуске опытной партии скреплений для полигонных испытаний.

2. Нормативные ссылки

В настоящей методике использованы ссылки на следующие нормативные документы:

• ГОСТ 12.3.002-75* ССБТ. Процессы производственные. Общие требования безопасности.
• ГОСТ 16504-81 СГИП. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.
• ГОСТ 24555-81 СГИП. Порядок аттестации испытательного оборудования. Основные положения.
• ГОСТ 577-68*. Индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм. Технические условия.
• ПР 50.2.006-94 ГСИ. Проверка средств измерений. Организация и порядок проведения.
• ЕОК 6-89. Словарь терминов, используемых в области общего руководства коллективом. Русская версия. 6-е изд. Европейская организация по качеству.
• Руководство ИСО/МЭК 2. Общие термины и определения в области стандартизации и смежных видов деятельности.
• МС ИСО 8402. Качество. Словарь.
• Технические требования к промежуточным рельсовым скреплениям ЦП 1-86. Утверждены МПС в 1987 г.
• Стандарт схемы сертификации на федеральном железнодорожном транспорте. СТ ССФЖТ ТМ 04.04-97. Элементы скреплений рельсов железнодорожных широкой колеи. Типовая методика определения жесткости двухвитковых шайб и тарельчатых пружин.

Определения

Образец (проба) – отдельное представительное изделие или измеренное количество материала (ЕОК 6-89).

Контроль – мероприятия, включающие проведение измерений, испытаний, проверки одной или нескольких характеристик изделия или услуги и их сравнение с установленными требованиями с целью определения соответствия (МС ИСО 8402).

Метод испытания – установленные технические правила проведения испытания (ИСО/МЭК 2).

Метод контроля – правило применения определенных принципов и средств контроля (ГОСТ 16504-81).

Визуальный контроль – органолептический контроль, осуществляемый органами зрения (ГОСТ 16504-81).

Методика испытаний – организационно-методический документ, обязательный к выполнению, включающий метод испытаний, средства и условия испытаний, отбор проб, алгоритм выполнения операций по определению одной или нескольких взаимосвязанных характеристик свойств объектов, формы представления данных и оценки точности, достоверности результатов, требования техники безопасности и охраны труда (ГОСТ 16504-81).

Объекты исследований

Объектами исследований являются детали рельсовых скреплений по отдельности и узлы промежуточных рельсовых скреплений в сборе, смонтированные на шпале или на блоке, содержащем подрельсовую часть шпалы, изготовленные в соответствии с ГОСТами, техническими условиями и рабочими чертежами, утвержденными в установленном порядке.

Методы испытаний

Испытания производятся на испытательных машинах, обеспечивающих усилие сжатия не менее 100 кН и усилие растяжения не менее 30 кН. Испытательные машины должны быть аттестованы в соответствии с ГОСТ 24555-81.

Электрическое сопротивление измеряется с помощью омметра, обеспечивающего регистрацию сопротивления в диапазоне 10 кОм.

Условия проведения испытаний

Испытания проводятся в условиях соблюдения соответствующих мер безопасности для персонала, участвующего в проведении испытаний.

• Атмосферное давление, кПа 101,3 ±10
• Температура окружающей среды, °С 20±15
• Влажность воздуха, % 60±20

Средства испытаний

Используемые при испытаниях средства измерений (СИ) и испытательное оборудование (ИО) приведены в табл. 4.1.

Все средства измерений проходят предварительную проверку по ПР 50.3.006 – 94 с продолжительностью, установленной соответствующей нормативной документацией.

Допускается применение других средств измерений, с точностными характеристиками не ниже, чем у указанных в таблице 4.1.

Статические испытания деталей скрепления

Вертикальные жесткости упругих подрельсовых и нашпальных прокладок определяются плавным нагружением прокладок, помещенных между двумя горизонтальными площадками, соответствующими площади опирания подошвы рельса на прокладку для подрельсовой и площади опирания металлической подкладки на шпалу с записью диаграммы нагружения.

Диапазон нагружения 40-80 кН. Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек.

Допускается испытания проводить ступенчатым нагружением (шаг нагружения 10 кН) с одновременной регистрацией сжатия прокладки (контролируется часовым индикатором ГОСТ 577-68*).

Вертикальная жесткость определяется как отношение нагрузки к величине сжатия.

Жесткость упругих шайб или тарельчатых пружин при их осевом сжатии определяется в соответствии с СТ ССФЖТ ТМ 04.04.-97.

Жесткость клемм по месту приложения нагрузки от прикрепителя или устройства для нагружения клеммы определяется плавным нагружением клеммы в месте приложения нагрузки при запрете вертикальных перемещений опор клеммы на рельс и подкладку.

При проведении испытания осуществляется запись диаграммы нагружения. Диапазон нагружения 0-30 кН. Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек.

Допускается испытания проводить ступенчатым нагружением (шаг нагружения 5 кН) с одновременной регистрацией перемещения точки приложения силы.

Жесткость клеммы определяется как отношение нагрузки к перемещению точки ее приложения.

Прочность заделки анкера или закладной детали на выдергивание из шпалы определяется при приложении выдергивающего усилия к верхней части анкера или закладного болта при фиксации шпалы.

Диапазон нагружения 0-50 кН. Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек. Испытания проводятся ступенчатым нагружением (шаг нагружения 5 кН) с одновременной регистрацией перемещения точки приложения силы.

После проведения испытания производится визуальный осмотр закрепления анкера, при этом не должно быть видимых следов разрушения и пластических деформаций.

Отношение перемещения точки приложения силы к длине анкера или закладной детали не должно превышать 0.05 %.

Статические испытания узла скрепления в сборе

При испытании узла скрепления должна быть обеспечена жесткая фиксация шпалы или подрельсового блока.

Величина затяжки гаек закладных и клеммных болтов динамометрическим ключом должна быть равная 120-180 Н*м. В случае безболтового скрепления напряжение клеммы должно обеспечивать нажатие на подошву рельса не менее 10 кН.

Вертикальная жесткость по головке рельса узла скрепления в сборе определяется плавным нагружением темплета рельса по оси его симметрии.

Диапазон нагружения 10-90 кН (после нормативной затяжки). Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек. Испытания проводятся ступенчатым нагружением (шаг нагружения 10 кН) с одновременной регистрацией перемещения точки приложения силы с помощью индикатора часового типа.

Вертикальная жесткость узла скрепления определяется, как отношение нагрузки к величине смещения точки приложения силы.

Горизонтальная жесткость по голове рельса узла скрепления в сборе определяется плавным нагружением головки рельса горизонтальной силой.

Диапазон нагружения 0-40 кН. Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек. Испытания проводятся ступенчатым нагружением (шаг нагружения 5 кН) с одновременной регистрацией горизонтального перемещения точки приложения силы с помощью индикатора часового типа.

Горизонтальная жесткость узла скрепления (по подошве рельса) определяется как отношение нагрузки к величине горизонтального смещения подошвы рельса.

Жесткость узла скрепления на кручение под действием горизонтальной силы определяется плавным нагружением головки темплета рельса силой, приложенной под углом к вертикальной оси рельса.

Диапазон нагружения 0-40 кН. Скорость нагружения 0.5 мм/сек.

Жесткость узла скрепления на кручение определяется как отношение крутящего момента от приложенной силы относительно оси симметрии поперечного сечения рельса к углу поворота подошвы рельса.

Величины боковой жесткости по головке, горизонтальной жесткости по подошве и жесткости узла скрепления на кручение при нагружении узла скрепления наклонной силой определяются плавным нагружением силой, приложенной к головке рельса под углом 25-30° к оси симметрии поперечного сечения рельса.

Диапазон нагружения 0-100 кН. Испытания проводятся ступенчатым нагружением (шаг нагружения 5 кН) с одновременной регистрацией горизонтальных смещений головки и подошвы рельса и угла поворота оси симметрии поперечного сечения рельса относительно первоначального положения с помощью индикатора часового типа. Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек.

Горизонтальные жесткости по головке и подошве рельса определяются как отношение величины горизонтальной проекции силы к горизонтальному смещению соответственно головки или подошвы рельса.

Жесткость узла скрепления на кручение определяется как отношение крутящего момента приложенной силы относительно центра кручения рельса к углу поворота оси симметрии поперечного сечения рельса относительно ее первоначального положения.

Величины усилий при продольном срыве рельса с основания при приложении статической силы по подошве рельса вдоль продольной оси рельса определяются при полной нормативной и половинной затяжках гаек закладных и клеммных болтов.

Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек.

Величина усилия срыва определяется при затяжке гаек закладных и клеммных болтов динамометрическим ключом с усилием, соответствующим нормативной и половинной затяжке.

Испытания проводятся плавным нагружением с регистрацией момента начала скольжения рельса относительно шпалы с помощью индикатора часового типа и манометра.

Величина вертикальной жесткости клемм по месту контакта их с рельсом определяется плавным нагружением вверх силой, приложенной к головке рельса вдоль оси симметрии поперечного сечения рельса при фиксации шпалы или блока.

Диапазон нагружения 0-20 кН с шагом нагружения 2 кН с одновременной регистрацией вертикального смещения подошвы рельса вверх с помощью индикатора часового типа.

Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек.

Величина вертикальной жесткости клеммы по контакту с рельсом определяется как отношение половины величины нагрузки к вертикальному смещению подошвы рельса.

Испытание электроизолирующего свойства скрепления проводится путем измерения электрического сопротивления между головкой рельса и шпалой.

Необходимое сопротивление – не менее 2 кОм.

Статические испытания рельсовой нити

Испытанием подвергается рельсовое звено, состоящее не менее чем из 10 шпал, расстояние между осями которых составляет 55 см. Испытания проводятся при полном и половинном усилиях от клемм на рельс.

Гайки закладных и клеммных болтов должны быть затянуты с помощью динамометрического ключа с усилием, соответствующим крутящему моменту 120-180 Н*м. В случае безболтового скрепления усилие нажатия на рельс от каждой клеммы должно быть не менее 10 кН.

Определение величины горизонтальной жесткости по головке рельса, горизонтальной жесткости по подошве и жесткости на кручение под действием горизонтальной нагрузки, приложенной к головке рельса в середине звена.

Диапазон измерений 0-100 кН с шагом измерения 10 кН. Скорость перемещения нагружающего устройства 0.5 мм/сек.

Горизонтальные перемещения головки и подошвы рельса относительно шпалы определяются с помощью индикаторов часового типа.

Величины горизонтальной жесткости по головке и подошве определяются соответственно отношением величины силы к величинам горизонтального перемещения соответственно головки или подошвы рельса.

Величина жесткости нити на кручение определяется отношением крутящего момента к величине угла поворота оси симметрии поперечного сечения рельса относительно начального положения.

Динамические испытания элементов и узла скрепления в сборе

На циклическую нагрузку упругие элементы скреплений испытываются до разрушения или до заданного количества циклов нагружения, характеризующих необходимую выносливость. Допускается выполнение испытаний непосредственно в натурных изделиях или узлах скреплений. Испытания проводятся на универсальных испытательных машинах с пульсатором.

В случае испытания узла скрепления в целом величина начальной затяжки гаек закладных и клеммных должна быть 120-180 Н*м. В случае, когда натяжение клемм осуществляется другим способом, начальное давление каждой из клемм на подошву рельса должно быть 10 кН.

Величины электрического сопротивления рельса от шпалы, до начала испытаний должно быть не менее 20 кОм.

Для измерения величины остаточных деформаций головки и подошвы рельса относительно шпалы ставятся метки по оси симметрии поперечного сечения рельса на его головке, подошве, а также метка на шпале на продолжении этой оси симметрии.

Нагрузка прикладывается под углом 25-30 градусов к оси симметрии поперечного сечения рельса. Диапазон нагружения 20-60 кН. Частота нагружения 510 Гц. Количество нагружений – 2 млн. циклов.

В случае, когда упругие элементы испытываются отдельно, параметры цикла нагружения, приходящегося на один элемент,N_max= 500…1000 циклов в минуту.

База испытаний: одиночных упругих элементов и узлов скреплений – 2 млн. циклов. Порядок комплектации и количество пружин, определяется схемой их работы в узле скрепления.

В процессе испытаний контролируется:

• диапазон нагружения; частота нагружения;
• через каждые 200 тыс. циклов – величина натяжения клемм и электрическое сопротивление рельса от шпалы и проводится визуальный контроль; состояние всех элементов скрепления;
• в случае ослабления затяжки гаек закладных болтов до половины первоначального натяжения производится фиксация числа циклов и подтяжка гаек до нормы;
• в случае уменьшения электрического сопротивления между рельсом и шпалой до величины, менее 20 кОм, требуется провести контроль и замену электроизолирующей детали.

После проведения испытания необходимо зафиксировать величины остаточных деформаций головки и подошвы рельса относительно метки на шпале и остаточные деформации упругих элементов. Размеры высот пружин до и после испытаний определяются с погрешностью, не превышающей 2%.

Порядок обработки данных и оформление результатов испытаний

По результатам испытаний строят графики исследуемых зависимостей и определяются характеристики исследуемых величин.

Полученные результаты заносятся в протокол установленной испытательным центром формы.

Актуальность исследования упругих рельсовых скреплений

В конструкции современного пути все в большей мере в качестве материала для подрельсового основания стали применять железобетон, у которого в отличии от дерева практически отсутствуют упругие характеристики, вследствие чего произошло резкое повышение жесткости пути. Перед специалистами, работающими в области пути, встал вопрос о повышении упругости подрельсового основания. Использующиеся двухвитковые пружинные шайбы и жесткие П-образные клеммы в повсеместно применяющихся скреплениях КБ-65 уже не удовлетворяет новым условиям жесткости для применения в скоростном движении и в особенности для бесстыкового пути. Поэтому все работы в области улучшения качества пути можно разделить на несколько групп:

• модернизация использующегося скрепления КБ-65 путем замены упругих шайб или постановкой новых пружинных клемм взамен жестких П-образных;
• создание новых подкладочных скреплений с упругими клеммами;
• создание новых типов бесподкладочных рельсовых скреплений, в том числе и безболтовых.

В настоящее время в литературе встречаются противоречивые данные по испытаниям не только упругих элементов, но и скреплений в сборе, данные по которым были получены десятки лет назад, но современные заводы, изготовляющие эти изделия, постоянно вносят коррективы в технологические процессы производства и химический состав изделий, в результате чего свойство, как отдельных элементов, так и скреплений в целом, изменились.

Целью данной главы является исследование и унификация выпускаемых в настоящее время как стандартных рельсовых скреплений, так и новых экспериментальных образцов подкладочных и бесподкладочных скреплений.

Целью унификации является проведение исследований на одном и том же оборудовании, при одних и тех же условиях, по одной и той же установленной схеме испытаний для получения наибольшей достоверности результатов с последующим их анализом.

В результате унификации схемы проведения исследований рельсовых скреплений получены нижеприведенные данные и оценена возможность перспективной замены на новые образцы с постепенным вытеснением скрепления КБ-65.

Для проведения сравнения использовались как стандартные типы рельсовых скреплений, используемых на сети дорог России, так и новые типы скреплений, разработанные совместно со специалистами СГУПСа и Горновского завода «Спецжелезобетона», описания которых приведены ниже.