722

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Сложность контроля сварных соединений, в частности рельса, заключается в разнородности механических свойств по длине рельса. Возможными дефектами являются: непровары, подрезы, поры, шлаковые включения, раковины. На результаты контроля сварного стыка влияют анизотропия металла в контролируемом

объеме и разнородность свойств термообработанной стали по длине рельса [4, 5]. Это приводит к дисперсии физических свойств материала. Речь идет об изменении модуля упругости материала по длине рельса. Численный подход применительно к объектам железнодорожного транспорта на примере рельса может быть реализован на многослойных моделях. При этом следует оптимизировать конечно-элементную сетку с учетом реальных

размеров объектов неразрушающего контроля и принимать во внимание размер буферной зоны.

Анализ существующих методик ультразвукового контроля сварного стыка рельса показал, что при расстановке датчиков дисперсия механических свойств стали вдоль стыка не учитывается, поэтому появляется погрешность для координаты приемника [6–9]. Это показано схематически на рис. 5. Штриховыми линиями 1 обозначен путь, который принимается для расчетных схем в методиках ультразвукового контроля. Линиями 2 показан действительный путь ультразвукового луча, который испытывает преломление на границах раздела сред. Область № 2 обладает отличающимися от областей № 1 и № 3 механическими характеристиками и моделирует сварной стык рельса.

Рис. 5. Схема ультразвукового контроля рельса

161

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

В результате появляется погрешность для координаты установки датчика при контроле. В этом случае для анализа процессов, имеющих место при распространении акустической волны в сварном стыке рельса, может использоваться модель, изображенная на рис. 6, а.

а – Численная модель продольного сечения

б – Разбиение модели на области

Рис. 6. Численная модель сварного стыка рельса

Области, на которые предложено разбить модель,представлены на рис. 6, б. Это области № 1, 2, 3 для задания различных механических свойств. График зависимости твердостиHB алюмотермитного стыка от продольной координаты сечения рельса, представленный на рис. 6, в, получен в НИЛ Сибирского государственного университета путей сообщения. Принимая, что

HB = f(σт), можно получить значения модуля упругости и модуля

162

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

сдвига для каждой области модели(где σт – предел текучести стали М76).

Итак, в ходе работы получены результаты для модели, состоящей из двух разнородных сред с отличающимися механическими свойствами. Результаты моделирования эффекта преломления согласуются с законами геометрической акустики. После прохождения расстояния, соизмеримого с длиной волны, векторы ориентированы согласно ожидаемому направлению распространения. Все узлы центральной зоны акустического фронта смещены в одном направлении. Также можно констатировать, что длина буферной (переходной) зоны имеет примерно ту же протяженность, что и длина волны.

С помощью программного пакетаCOSMOS/M есть возможность создавать области модели с разными механическими - ха рактеристиками и прогнозировать смещения узлов в разных областях модели после преломления.

Обсуждается пример сварного стыка рельса, который представляет собой многослойную систему с дисперсией механических характеристик по длине рельса, что показано на рис. 6, б.

Численный подход может быть успешно применен для построения такой системы, включающей области с разными механическими характеристиками, и ее анализа. Использование результатов численного моделирования позволяет находить решения за короткое время. При этом могут быть сокращены трудозатраты на проведение испытаний на реальных объектах. Результаты можно использовать для обоснования мест расположения регистрирующих датчиков.

Численный метод может значительно расширить область применения акустических методов дефектоскопии и повысить достоверность результатов.

Список литературы

1.Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Неразрушающий кон-

троль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля: Практ. пособие / Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высш. шк., 1991. 283 с.: ил.

2.Alleyne D, Cawley P. A two-dimensional Fourier transform method for measurement of propagating multimode signals // J Acoust Soc Am. 1991. Vol. 89,

№3. P. 1159–1168.

163

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

3.Fenkner M. The determination of residual austenite in hardened ballbearing steel by measurement of the velocity of sound waves // Mater. eval. 1969. № 1. P. 11–22.

4.Коновалов Н.Н. Нормирование дефектов и достоверность неразрушающего контроля сварных соединений. М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2011. 132 с.

5.Смирнов А.Н., Герике Б.Л., Муравьев В.В. Диагностирование тех-

нических устройств опасных производственных объектов. Новосибирск:

Наука, 2003. 244 с.

6.ГОСТ 14782–86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые / Введен 1988-01-01. М.: Госстандарт СССР: Издво стандартов, 1986. 29 с.

7.ГОСТ 18576-96. Контроль неразрушающий. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые / Введен 2001-06-04. М.: Госстандарт РФ: Изд-во стандартов, 1996. 20 с.

8.ПР 07.41–2006. Правила контроля стыков алюмино-термитной сварки рельсов в пути. М., 2006.

9.ТИ 07.42–2004. Технологическая инструкция по ультразвуковому контролю сварных стыков рельсов в рельсосварочных предприятиях и в пути. СПб., 2004.

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. С.И. Герасимов

П.С. Труханов

(факультет «Строительство железных дорог»)

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗГИБА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО РЕЛЬСА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОЕЗДНОЙ НАГРУЗКИ

Расчет железнодорожного пути на прочность имеет большое значение в условиях современного роста грузонапряженности, осевых нагрузок и скоростей движения поездов. И учет всех факторов, оказывающих непосредственное воздействие на путь, является первоочередным условием, соблюдение которого необходимо при этом расчете.

В настоящее время при расчете пути на прочность рельс рассматривается как балка на сплошном упругом основании. На самом деле рельс опирается на дискретное упругое основаниена( шпалы). При этом опорные связи являются односторонними: ес-

164

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

ли рельс прижимается к шпале, связь работает упруго, при обратном воздействии связь выключается.

Вданной работе рассматриваются возможности применения при расчетах на прочность численной модели рельсовой нити, в которой учитывается реальное опирание рельса.

Численные модели элементов конструкций создаются с -ис пользованием программных комплексов, которые во многом упрощают вычисления, позволяя уменьшить затраты времени на выполнение многовариантных расчетов и более точно проводить анализ напряженно-деформированного состояния.

Вэтих программных комплексах для решения линейных и нелинейных статических задач используется метод конечных элементов. Это позволяет наиболее просто смоделировать контактное взаимодействие рельсовой нити с основанием.

Смоделируем рельс длиной L балочными конечными элементами числом n.

Упругое основание будем моделировать стержневыми элементами. Их параметры будем подбирать в соответствии с модулем упругости подрельсового основания U.

Для балки на сплошном упругом основании должно выполняться соотношение

где q, y – интенсивность реакции и осадка подрельсового основания.

Осадка у должна соответствовать деформации стержня, моделирующего подрельсовое основание. Следовательно, по закону Гука,

где N – усилие, действующее в стержне; l – длина стержня; EsAs – жесткость стержня.

Усилие, приходящееся на стержень, выразим через реакцию подрельсового основания:

N = q L . n

165

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Учитывая последнее соотношение и формулы(1), (2), получим связь между характеристиками подрельсового основания и стержневого элемента:

которое позволит выбрать соответствующие параметры модели. За критерий правильности выбора величины параметров модели

будем принимать различие результатов численного расчета с аналитическим решением балки на сплошном упругом основании [1].

Зададим характеристики балочного элемента, соответствующие рельсу типа Р65: модуль упругости Е = 2∙105 МПа; коэффициент Пуассона v = 0,3; площадь сечения A = 82,65 см2; осевой момент инерции Iz = 3 540 см4; высота h = 180 мм.

На рис. 1 представлена конечно-элементная схема балки. Здесь 1 – балочный элемент; 2 – стержневой элемент.

Рис. 1. Конечно-элементная схема балки

Параметры стержневого элемента будем подбирать для -мо дуля подрельсового основания U = 110 МПа, что соответствует нормам расчета пути на прочность для летнего периода.

Рассчитаем по данной модели максимальный прогибymax и изгибающий момент Mmax при различном соотношенииL/n. Нагрузку на балку зададим P = 1 Н.

Результаты расчета будем сравнивать с теоретическими данными [1]:

166

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

4EI z

В соответствии с формулами (4) имеем: ymax = 6,38∙10–6 мм; Mmax = 0,178 Н∙м.

По результату конечно-элементного расчета балки составим таблицу и построим графики, отражающие зависимость между соотношением L/n и максимальными прогибами и изгибающими моментами (рис. 2, 3).

Зависимость соотношения L/n и ymax и Mmax

Рис. 2. Зависимость соотношения L/n и величины ошибки максимального прогиба между теоретическим и практическим значениями

167

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 3. Зависимость соотношения L/n и величины ошибки максимального изгибающего момента между теоретическим и практическим значениями

Таким образом, для последующих расчетов будем использовать системы, в которых соотношение L/n равно 1000.

На рис. 4 приведена модель деформационного вида рельса на сплошном упругом основании с перечисленными выше характеристиками.

Рис. 4. Деформационный вид рельсовой плети на сплошном упругом основании

Смоделируем рельсовую нить, опирающуюся на дискретное основание, т.е. на шпалы. Примем длину опирания на каждую шпалу 15 мм. Тогда в модели рельсовой нити в качестве шпалы будет использоваться 16 стержней (расстояние между ними составляет 10 мм).

При движении подвижного состава шпалы способны отлипать от изгиба рельса. Поэтому создадим две модели рельсовой плети: с отлипанием и без него.

Модель 1 рельсовой плети: длина 10 м; на шпалах, расстояние между осями0,55 м; не учитывается отлипание; модуль упругости подрельсового основанияU = 100 МПа; Р – макси-

168

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

мальная динамическая нагрузка от локомотива ВЛ-80; t – температурная нагрузка от изменения температуры+40о; максимальный прогиб под силой P ymax = –1,255 мм; максимальный изгибающий момент Mmax = 34,9 кН∙м; напряжение от изгибающего момента, МПа,

M 34,9 ×102

sп = W = 435 ×10-6 = 80,2 ,

обратный изгиб: прогиб 0,057 мм; момент 6,7 кН∙м. Расчет на модели длиной 20 м дал те же результаты.

Модель 2 рельсовой плети: длина 10 м; на шпалах, расстояние между осями 0,55 м; учитывается отлипание; модуль упругости подрельсового основанияU = 100 МПа; Р – максимальная динамическая нагрузка от локомотива ВЛ-80; t – температурная нагрузка от изменения температуры+40о; максимальный прогиб под силой P ymax = –1,316 мм; максимальный изгибающий момент Mmax = 36,4 кН∙м; напряжение от изгибающего момента, МПа,

M 36,4 ×102

sп = W = 435 ×10-6 = 83,5,

обратный изгиб: прогиб 1,8 мм; момент 2,9 кН∙м.

На рис. 5 приведен деформационный вид рельсовой плети на дискретном основании.

Рис. 5. Деформационный вид рельсовой плети

На данный момент можно утверждать, что расчет, произведенный с помощью программного комплекса, дает достаточно точные результаты и позволяет учесть реальное опирание рельса. Исследование находится в разработке, и в дальнейшем планируется произвести и сравнить расчеты с учетом большего количества факторов.

169

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Список литературы

1. Карпущенко Н.И., Котова И.А., Осипов В.Г. Расчет пути на проч-

ность, устойчивость и надежность: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2010. 120 с.

Научные руководители: д-р техн. наук, проф. В.М. Тихомиров, канд. техн. наук, доц. Д.В. Величко

И.Г. Хаманов

(факультет «Управление процессами перевозок»)

КОМПЛЕКСНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ НЕФТЕТОЛЕРАНТНЫХ РАСТЕНИЙ

И БИОПРЕПАРАТА «АЛЬБИТ» ДЛЯ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ ПЕРСОНАЛА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Целью работы является изучение способов снижения количества нефтепродуктов, попавших в окружающую среду, и создание условий для проектирования эффективной и экономически целесообразной системы защиты персонала железнодорожных предприятий, населения прилегающих территорий и окружающей среды от последствий работы промывочно-пропарочных станций.

Промывочно-пропарочная станция (далее ППС) – комплекс сооружений и устройств для пропарки железнодорожныхци стерн, промывки их от остатков нефтепродуктов и подготовки под налив различных жидких горючих и пищевых продуктов. ППС относятся к промышленным объектам и производствам второго класса (класс II) [7] с ориентировочным размером санитар- но-защитной зоны (далее СЗЗ) 500 м.

Основу негативного воздействия деятельности большинства ППС составляет загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами, так как «продукты» промывки и пропарки цистерн сливаются в пруды-отстойники. После попадания в водоем нефтепродукты трансформируются под влиянием таких природных процессов, как испарение, растворение, образование эмульсий, усвоение живыми организмами и выпадение в осадок.

170