Способ определения кривизны рельса под нагруженным колесом, изгибающего момента, напряжений от изгиба рельса, относительной жесткости и модуля упругости подрельсового основания

 

Использование: при контроле состояния железнодорожного пути. Сущность изобретения: способ заключается в том, что измеряют относительное перемещение трех точек, расположенных на поверхности катания головки рельса, в зоне упругой деформации, возникающей вблизи точки приложения колесной нагрузки. Относительное перемещение трех точек определяют непрерывно в процессе движения нагруженного вагона. На ленте вагона-путеизмерителя записывают относительное перемещение трех точек в зоне упругой деформации рельса под нагруженным колесом и вне этой зоны, что позволяет исключить влияние неровностей поверхности катания. По результатам измерений вычисляют кривизну рельса под нагруженным колесом, изгибающий момент, напряжения от изгиба рельса, относительную жескость и модуль упругости подрельсового основания. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к контролю состояния железнодорожного пути и может быть использовано для управления рабочими органами путевой машины.

Известен способ измерения кривизны рельса, заключающийся в том, что определяют относительное перемещение трех точек, расположенных на рабочей поверхности головки рельса.

Наиболее существенными недостатками этого способа являются отсутствие нагрузки на рельсовую нить, что не позволяет определить упругие характеристики подрельсового основания; дискретность измерений, обусловленная использованием нивелира.

Техническим результатом изобретения является расширение его технологических возможностей и определение кривизны рельса под нагруженным колесом в процессе его перемещения вдоль рельса с последующим вычислением изгибающего момента, изгибных напряжений в рельсе, модуля упругости подрельсового основания.

Для достижения этого технического результата в способе определения кривизны рельса под нагруженным колесом, изгибающего момента, напряжений от изгиба рельса, относительной жесткости и модуля упругости подрельсового основания, заключающемся в том, что определяют относительное перемещение трех точек, расположенных на рабочей поверхности головки рельса упомянутое перемещение трех точке определяют непосредственно вблизи нагруженного колеса, перемещаемого с заданной скоростью, а кривизну, изгибающий момент и напряжения от изгиба рельса, относительную жесткость и модуль упругости подрельсового основания определяют в соответствии с соотношениями: где R - радиус кривизны рельса под нагруженным колесом; L - база измерения; Y - относительное перемещение трех точек; a - эмпирический коэффициент, равный 1 или 2 в зависимости от схемы измерения; E - модуль упругости рельса; J - момент инерции поперечного сечения рельса; Z - расстояние от нейтральной оси рельса;
P - нагрузка колеса на рельс;
β - относительная жесткость подрельсового основания;
U - модуль упругости подрельсового основания;
M - изгибающий момент;
σ - напряжения от изгиба рельса.

На фиг. 1 изображена схема перемещения одной точки на рабочей поверхности головки рельса от воздействия колесной нагрузки; на фиг. 2 - то же, при несовпадении этой точки с осью приложения колесной нагрузки.

Для измерения кривизны рельса под нагруженным колесом грузовой вагон оборудуют двумя устройствами, позволяющими проводить измерения на двух нитях рельсового пути. Измерения осуществляют на одинаковой базе однотипными датчиками перемещения. Измерения проводят в двух местах по длине рельсовой нити: первый раз вне зоны упругой деформации рельса для определения относительного перемещения трех точек, обусловленного неровностями поверхности катания головки рельса, а второй раз в том же месте, но в момент прохождения нагруженного колеса, что позволяет по разности показаний измерительных приборов определить относительное перемещение трех точек, обусловленное упругой деформацией рельса под нагруженным колесом.

В процессе движения вагона с заданной осевой нагрузкой измеряют перемещение точки B в положение B₁ относительно прямой, проходящей через точки A и C, либо перемещение точки C в положение C₁ относительно прямой, проходящей через точки A и B (фиг. 1). Положение точки B может не совпадать с осью приложения колесной нагрузки (фиг. 2).

Измерения относительного расположения трех точек при нагруженном и ненагруженном состоянии данного сечения рельса синхронизируют со скоростью движения вагона, заносят в память ЭВМ, производят вычисление разности показаний, которая соответствует относительному перемещению трех точек, обусловленному упругой деформацией рельса под нагруженным колесом. Относительное перемещение трех точек используют для расчета кривизны рельса под нагруженным колесом по формуле:

где
R_n - радиус кривизны в точке приложения нагрузки;
Y - относительное перемещение точек, мм;
L - база измерения, мм;
a - эмпирический коэффициент.

Эмпирический коэффициент "a" зависит от схемы измерения относительного перемещения трех точек. При измерении перемещения точки B по схеме, приведенной на фиг. 1, коэффициент "а" равен 1. При измерении перемещения точки C по той же схеме коэффициент "а" равен 2. При измерении перемещения точек B или C по схеме, приведенной на фиг. 2, коэффициент "а" определяют эмпирически или рассчитывают для заданной схемы нагружения рельса.

По радиусу кривизны рельса под нагруженным колесом рассчитывают изгибающий момент, напряжения в подошве рельса, модуль упругости подрельсового основания. Если перемещение точки B и C превысило допустимое значение, на ленте регистрирующего прибора делают отметки, позволяющие обнаружить пикеты, звенья и отдельные шпалы, на которых уровень напряжений в подошве, обусловленный изгибом рельса под нагруженным колесом, превышает допустимую величину, и выполняют на этих шпалах работы по предотвращению возникновения усталостных трещин в подошве.

Признаки, совпадающие с прототипом: кривизну рельсовой нити в вертикальной плоскости определяют по относительному перемещению трех точек.

Новые признаки:
относительное перемещение трех точек определяют в зоне упругой деформации рельса под нагруженным колесом;
измерение относительного перемещения трех точек производят непрерывно в процессе движения нагруженного вагона;
регистрируют на ленте вагона-путеизмерителя разность относительных перемещений трех течек, зафиксированных на двух измерительных устройствах, что позволяет исключить влияние относительного перемещения трех точек, обусловленного неровностями поверхности катания головки рельса.

Использование предлагаемого способа определения кривизны рельса под нагруженным колесом обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: позволяет обнаружить, а при использовании в качестве управляющего органа путевой машины устранить участки рельсовой нити, на которых уровень растягивающих напряжений в подошве рельсов превышает допустимые значения, и тем самым предотвратить изломы рельсов по коррозионно-усталостным трещинам в подошве рельса и внезапные разрушения рельсов в пути под поездами.

Пример. Предложенным способом произведены измерения перемещения точки B относительно прямой, соединяющей точки A и C (фиг. 1).

Расстояние между точками A и C для упрощения расчета взято 1080 мм, что соответствует удвоенному расстоянию между шпалами. Измерения проведены на участке бесстыкового пути с рельсами типа P65, уложенными на железобетонные шпалы со щебеночным балластом, скреплениями типа КБ, количество шпал на 1 км пути - 1860 шпал. Осевая нагрузка - 20 т. Перемещение точки B записано на ленту вагона-путеизмерителя.

Необходимо определить напряжения в подошве рельсов и модуль упругости подрельсового основания в сечениях по длине рельсовой нити, в которых перемещение точки B составило 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 мм.

Для определения изгибных напряжений приняли схему нагружения участка рельса, расположенного вблизи точки приложения нагрузки, как балки на двух опорах с опорными моментами (фиг. 3).

При M_n-1=M_n+1 =0 изгибающий момент в сечении рассчитывали по формуле:

поскольку при данной схеме измерения кривизны рельса под нагруженным колесом коэффициент "а" равен 1; радиус кривизны

напряжение в подошве

При M_n-1=M_n=M_n+1 изгибающий момент в сечении n равен

а радиус кривизны

напряжения в подошве

При схеме нагружения рельса как балки на упругом основании коэффициент относительной жесткости равен:

модуль упругости подрельсового основания равен:
U = 4·β⁴EJ.
В рассматриваемом примере L/2 = 540 мм; E = 2·10⁴ кг/мм²; J = 3,573·10⁷ мм⁴; W = 437000 мм³; Y_n=0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм.

Результаты расчета изгибающего момента, радиуса кривизны, напряжений в подошве рельса в сечении n, а также относительной жесткости, модуля упругости подрельсового основания даны в таблице.

Фактические значения изгибающего момента, радиуса кривизны и напряжений в подошве находятся между этими крайними значениями.

Относительную жесткость и модуль упругости подрельсового основания рассчитывали исходя из схемы нагружения рельса, принятой для балок на упругом основании.

Результаты измерения и расчета использовали для определения сечений рельсов по длине рельсовой нити, в которых существует высокая вероятность образования коррозионно-усталостных трещин в подошве, что позволило планировать путевые работы по снижению уровня растягивающих напряжений в подошве рельсов и предотвращать изломы рельсов из-за коррозиооно-усталостных трещин в подошве.

Формула изобретения

Способ определения кривизны рельса под нагруженным колесом, изгибающего момента, напряжений от изгиба рельса, относительной жесткости и модуля упругости подрельсового основания, заключающийся в том, что определяют относительное перемещение трех точек, расположенных на рабочей поверхности головки рельса, отличающийся тем, что относительное перемещение трех точек определяют непосредственно вблизи нагруженного колеса, перемещаемого с заданной скоростью, а кривизну, изгибающий момент и напряжения от изгиба рельса, относительную жесткость и модуль упругости подрельсового основания определяют в соответствии с соотношениями


U = 4β⁴·E·J,
где R - радиус кривизны рельса под нагруженным колесом;
L - база измерения;
Y - относительное перемещение трех точек;
a - эмпирический коэффициент, равный 1 или 2 в зависимости от схемы измерения;
E - модуль упругости рельса;
J - момент инерции поперечного сечения рельса;
Z - расстояние от нейтральной оси рельса;
P - нагрузка колеса на рельс;
β - относительная жесткость подрельсового основания;
U - модуль упругости подрельсового основания;
M - изгибающий момент;
σ - напряжения от изгиба рельса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4