Определение срока службы элементов стрелочной гарнитуры

А. Н. Марчук

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ЭЛЕМЕНТОВ СТРЕЛОЧНОЙ ГАРНИТУРЫ

Предлагается повысить надежность гарнитуры стрелочного электропривода за счет исключения кинематического возбуждения колебаний, возникающих в нем, посредством устранения виброперемещений концов стрелочных брусьев.

остряк, электропривод, брусья, угольник, гарнитура.

Введение

Основное назначение стрелочной гарнитуры состоит в обеспечении перевода остряков стрелки электроприводом и получения контроля их положения, а также в удержании остряка прижатым к рамному рельсу в момент прохода по стрелке подвижного состава. Типовая гарнитура стрелочного электропривода содержит фундаментные угольники, рабочую тягу и уголки для жесткого крепления фундаментных угольников к рамным рельсам. Вибрации, порождаемые взаимодействием колес подвижного состава и несущих элементов стрелки, воздействуют на элементы стрелочной гарнитуры, вызывая появление в них динамических напряжений, а в самом электроприводе - виброускорений, что в итоге снижает надежность работы как стрелочной гарнитуры, так и самого стрелочного перевода [1].

1 Теоретические сведения

В ПГУПС разработана гарнитура стрелочного электропривода [2], содержащая фундаментные угольники, которые не касаются подошв рамных рельсов, а регулировочный узел, расположенный непосредственно в рельсовой колее, позволяет регулировать положение стрелочного электропривода относительно рамных рельсов. При этом динамические напряжения в элементах стрелочной гарнитуры уменьшаются в 3-5 раз. Однако полностью исключить вибрацию стрелочного электропривода не удалось, так как виброускорения концов стрелочных брусьев передаются стрелочному электроприводу.

Можно утверждать, что повышение надежности работы стрелочного электропривода в целом пропорционально виброзащищенности его гарнитуры. Следовательно, надежной и долговечной может быть такая гарнитура стрелочного электропривода, которая полностью исключает кинематическое возбуждение колебаний стрелочного электропривода от переносных колебаний концов стрелочных брусьев в момент прохода колес подвижного состава [3].

На рисунке 1 представлен эскиз гарнитуры стрелочного электропривода, в которой исключено кинематическое возбуждение колебаний стрелочного электропривода.

При этом исключена жесткая связь связной полосы со стрелочным брусом, расположенным между фундаментными угольниками и двумя стрелочными брусьями по обе стороны от них. Связная полоса удлинена по обе стороны на ширину шпального ящика и ширину стрелочного бруса и имеет жесткую связь со стрелочными брусьями, располагаемыми под ее удлиненными концами.

Предлагаемая гарнитура электропривода, как составная часть стрелочного перевода, обладает следующими отличительными признаками, дающими ей обоснованное право считаться надежной:

независимостью работы концов фундаментных угольников с установленным на них стрелочным электроприводом от работы стрелочных брусьев в момент воздействия колес подвижного состава;

стабильной работой стрелочного электропривода за счет исключения его виброускорений.

Указанная совокупность признаков позволяет получить высокую надежность работы элементов гарнитуры стрелочного электропривода: за счет предложенных кинематических связей между концами стрелочных брусьев и связной полосой получена новая, более надежная система управления стрелочным переводом.

Таким образом, прослеживается причинно-следственная связь между совокупностью общих и отличительных признаков, характеризующих предлагаемую стрелочную гарнитуру, и получением технического результата, т. е. повышения надежности ее работы.

Предлагаемая гарнитура стрелочного электропривода содержит фундаментные угольники 11, 4, соединенные между собой связными полосами 14, 19, регулировочный узел 20, соединяющий связную полосу 19 со стяжной полосой рельсов 21, рабочую тягу 10, контрольные тяги 7, 8, взаимодействующие с электроприводом 9, остряком 18, прижатым к рамному рельсу 17 (см. рис. 1). Внешняя связная полоса 14 уложена на концах стрелочных брусьев 1, 3, 6, 13, 15 и жестко соединена со стрелочными брусьями 1 и 15 с помощью болтов 2, 16, а с фундаментными угольниками 4, 11 - с помощью болтов 5, 12.

Гарнитура стрелочного электропривода работает следующим образом.

При движении колес подвижного состава по стрелке реализуются динамические силы в зонах контактов бандажей колес, головок рельсов и сечений остряка. Эти силы вызывают ускорения концов стрелочных брусьев 1, 3, 6, 13 и 15. Концы брусьев 3, 6 и 13, будучи не связанными с фундаментными угольниками 4, 11 не передают кинематическое возбуждение на стрелочный электропривод 9 и не вызывают появление в нем виброускорений.

Концы брусьев 1 и 15, будучи жестко связанными со связной полосой 14, а через нее - и с фундаментными угольниками 4, 11, находятся на значительном удалении от стрелочного электропривода 9 и не оказывают влияния на передачу кинематического возбуждения на стрелочный электропривод при движении колес подвижного состава по стрелке.

Таким образом возрастает надежность работы стрелочного электропривода и его гарнитуры в условиях виброперемещений концов стрелочных брусьев.

2 Математическая модель определения зависимости срока службы

элементов гарнитуры от коррозии

Рассмотрим долговечность частей фундаментных угольников, находящихся непосредственно под подошвами рамных рельсов (они не имеют защитного покрытия в отличие от остальных частей).

Для оценки влияния малых легирующих добавок на коррозию конструкционной стали на открытом воздухе проанализируем информацию, представленную на рисунке 2.

Рис. 2. Влияние легирующих добавок на коррозию стали на открытом воздухе

На рисунке 2, а приведены результаты 15-летних испытаний в промышленном районе Шеффилда, на рисунке 2, б - результаты аналогичных 9-летних испытаний в Ротерэме, на рисунке 2, в - данные 20-летних испытаний в Керни (штат Нью-Джерси, США). Все кривые демонстрируют оди -наковое качественное сходство скоростей коррозии разных сталей.

Из графиков видно, что средняя глубина коррозии 8 = 1 мм образуется за первые восемь лет. В таблице выполнен расчет эволюции основных параметров фундаментного угольника за 40 лет службы в составе стрелочной гарнитуры согласно данным рисунка 2.

ТАБЛИЦА. Расчет основных параметров фундаментного угольника

Т, лет d, мм т—< 2 F, см т 4 1х, см W, см3 mra, кг Y, % износа K о, МПа

0 8,0 11,5 59,8 11,18 9,02 0 — 50,0

8 7,0 10,15 53,34 9,89 7,96 11,75 0,0156 56,6

24 6,0 8,78 46,57 8,57 6,89 23,60 0,0079 71,0

40 5,0 7,39 39,53 7,21 5,80 35,70 0,008 87,1

Экспериментально установлено, что в наиболее загруженной части фундаментного угольника, расположенной под подошвой рельса, динамические напряжения достигают 50,0 МПа при допускаемых [о] = 125,0 МПа.

Таким образом, рассматриваемая часть фундаментного угольника является механизмом первого типа, так как в ней обеспечен как минимум двукратный запас прочности.

Определяющим параметром срока службы фундаментного угольника от влияния коррозии является d, мм, - толщина фундаментного угольника. В процессе коррозии она уменьшается. Обозначим массу части фундаментного угольника, взаимодействующую через прокладку с подошвой рамного рельса, через т0.

Пусть в момент t ее масса стала т, в момент времени t + At масса т — Am. За время At коррозионный износ составил Am. Отношение Am/At есть средняя скорость коррозии фундаментного угольника. Предел этого отношения при At^-0

А т dm lim----=-----

А0 А t dt

есть скорость коррозии части фундаментного угольника за время t. Скорость коррозии пропорциональна количеству металла в каждый данный момент:

dm

— = -Km,

dt

где K — коэффициент пропорциональности (K > 0). Знак минус потому, что при увеличении времени масса фундаментного угольника убывает и, следовательно,

dm

dt

< 0.

Разделим в уравнении (1) переменные:

dm T r.

— = —Kdt. m

Решая уравнение, получим:

ln m = —Kt + ln C,

откуда

, m ln—

C

-Kt;

m = Ce~Kt

Так как при t = 0 масса части фундаментного угольника была равной mo, то постоянная С должна удовлетворять соотношению:

m 0 = — Ce — K 0 = C.

Подставляя это значение постоянной С в равенство (2), получим зависимость массы части фундаментного угольника как функцию времени:

m 0 = m 0 e ~ Kt.

Коэффициент K определяется следующим образом. Пусть за время to коррозия «уносит» у % первоначальной массы фундаментного угольника. Следовательно, выполняется соотношение:

откуда

или

(1--—) m 0 = m 0 e Kt.

10Г 0 0

—Kt0 = ln(1 — -t-) 0 100

K = — -ln(1 —У—). t„ 100

Значения величины K представлены в таблице.

Найдем промежуток времени, за который коррозия уничтожит 50% первоначальной массы фундаментного угольника. Для этого определим средневзвешенное значение коэффициента K:

K

ср.взв

0,156 • 8 + 0,00788 • 16 + 0,00816 40

0,0095.

Уравнение (3) примет вид:

m = m 0 e

-0,0095t

Подставляя в эту формулу вместо m значение тэ/2, вместо t — Т (срок службы фундаментного угольника), получим:

m = m 0 e - °-0095T,

2

откуда

-0=0095T -ln 2,

или

T =

ln2

0,0095

0,693

-------= 72 года.

0,0095

За время Т = 72 года толщина фундаментного угольника d станет равной 3,0 мм, момент инерции Ix = 25,0 см4, момент сопротивления Wx = 4,5 см3, площадь сечения F = 4,6 см2. Таким образом, все основные параметры фундаментного угольника, определяющие его напряженное состояние, уменьшились в 2,5 раза за счет влияния коррозии.

График роста динамических напряжений, рассматриваемый за период, представлен на рисунке 3.

Аппроксимирующая этот график формула имеет вид:

ст c=j(1 + 0,008T )2.

Исходя из допускаемых напряжений, [о] = 125 МПа, О0 = 50,0 МПа.

Через 50 лет службы фундаментных угольников динамические напряжения от воздействия колес подвижного состава возрастут в два раза и достигнут в условиях влияния коррозии 100 МПа, но будут меньше допускаемых.

Через 72 года службы фундаментных угольников в пути напряжения в них достигнут допускаемых, равных 125,0 МПа, т. е. увеличатся по сравнению с напряжениями в новых фундаментных угольниках в 2,5 раза. Таким образом, предельный срок службы фундаментных угольников по кри -терию «коррозия» составляет 72 года.

Определяющим для фундаментных угольников следует принять срок службы в 50 лет как вполне работоспособный по критерию «коррозия».

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что при использовании фундаментных угольников в стрелочной гарнитуре в рассмотренной выше схеме стрелочный перевод приобретает значительную надежность при его эксплуатации. Приведенные математические расчеты показывают, что данное предложение по изменению стрелочной гарнитуры повышает срок службы стрелочного перевода в целом.

Библиографический список

1. Электрическая централизация стрелок и сигналов / А. А. Казаков. - М.: Транспорт, 1968. - С. 38^4.

2. А. с. СССР № 1533929. Гарнитура стрелочного электропривода / В. И. Абросимов, В. В. Гниломедов // Бюл. № 1. - 1990.

3. Надежность и эффективность в технике / ред. В. И. Кузнецов. - М.: Машиностроение, 1990.

Общетехнические и социальные проблемы

УДК 624.154.9

С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко

ОЦЕНКА ЗАКРЕПЛЕНИЯ ОСНОВАНИЯ МЕТОДОМ