777

А.М.Островский,Л.А.Гребенюк

оперативного управления перевозками (АСОУП) и на разработанную базу данных всех разрешенных к перевозке железнодорожным транспортом опасных грузов, может выдать достоверную информацию о наличии всех опасных грузов в зоне аварии, что позволит оценитьв целом всю потенциальную опасность (рис. 3).

Сообщение о характере аварийной ситуации, сведения о наличии пострадавших.

Рис. 3. Предлагаемаясхема оповещения при возникновении аварийной ситуации с опасными грузами

Далее при передаче этой информации в программный модуль «Ликвидация чрезвычайных ситуаций» информационная система сгенерирует документ, который может быть принят как обоснование рекомендаций:

—по плану первичных действий по ликвидации аварийной ситуации с опасными грузами;

—по привлечению сил и средств ЖТСЧС и РСЧС;

—по средствам нейтрализации;

—по средствам индивидуальной защиты.

Таким образом, разработанная информационная система позволит добиться сокращения среднего времени реагирования на аварийную ситуацию, которое достигается за счет того, что система исключит многократный ввод одних и тех же данных, обеспечитавтоматическую передачу сведенийохарактере чрезвычайной ситуации на все вышестоящие уровни управления ЖТСЧС и ускорит процедуры принятия решений. Дополнительный эффект может быть достигнут в случае организации информационного канала передачи данных в автоматизированную информационно управляющую систему РСЧС АИУС «РСЧС».

Литература

1.Правилабезопасностиипорядокликвидацииаварийныхситуацийсопаснымигрузамипри перевозке их по железным дорогам. М.: МПС РФ; СГУПС, 1997. 435 с.

2.Аварийныекарточкинаопасныегрузы,перевозимыепожелезнымдорогамСНГ,Латвийской Республики,ЛитовскойРеспублики,ЭстонскойРеспублики.М.:Транспорт,2001.848с.

3.Минимальные нормыприкрытия вагоновс опаснымигрузами припостановке ихв поезда

иманеврах. Условия роспуска их с сортировочных горок М.: Транспорт, 2001. 264 с.

4.ГребенюкЛ.А.Автоматизированнаясистемаполиквидацииаварийныхситуаций// М-лы

науч.-техн. конф. «Наука и молодежь XXI века». Новосибирск: СГУПС, 2003. С. 117–119.

219

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

Манаков Алексей Леонидович — кандидат технических наук,доцент,деканфакультета«Строительныеидорожныемашины» Сибирскогогосударственногоуниверситетапутейсообщения.Родился в 1972 г. В 1994 г. окончил Сибирский государственный университетпутейсообщения.Являетсяавторомболее50печатных работ и 2 монографий, посвященных повышению эффективности функционированиядорожно-строительногокомплекса.

УДК 625.033.373

А.Л. МАНАКОВ

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМБИНИРОВАННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

В статье рассмотрены механизмы и методы совершенствования эксплуатационных свойств рельсов, основанные на создании тонкого слоя твердой металлической смазки в паре трения колесо — рельс. Метод фрикционной металлизации позволяет исключить дефекты контактноусталостной группы, а также повысить эксплуатационный ресурс за счет снижения периода приработки, уменьшения сил трения, переноса микроперемещений в промежуточный слой и создания особой структуры поверхностного слоя.

Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения поездов по железным дорогам. Именно оно во многом определяет безопасность, а также такие важнейшие технико-экономические показатели, как масса поездов, скорость их движения и уровень эксплуатационных расходов. При этом требования к показателям взаимодействия колес и рельсов в разных зонах контактирования противоречивы. С одной стороны, сцепление колес с рельсами должно быть таким, чтобы обеспечивалось малое сопротивление движению поезда. С другой — для реализации требуемой силы тяги необходимо обеспечивать высокий и стабильный уровень сцепления локомотивных колес с той же поверхностью.

Сложившиеся на данный момент тенденции заключаются в повышении осевых нагрузок, что связано с ужесточением требований к состоянию пути и искусственных сооружений, совершенствованием их текущего содержания и, соответственно, с увеличением затрат.

С целью повышения осевых нагрузок и тем самым увеличения грузооборота на основных магистральных линиях железные дороги могут выбрать два решения: применить технологии, позволяющие ослабить напряженное состояние в зоне контакта колесо — рельс, и повысить сопротивляемость элементов инфраструктуры увеличивающимся нагрузкам с одновременным управлением ее характеристиками по несущей способности.

В настоящее время приоритетным представляется путь ослабления напряженного состояния во взаимодействии колеса и рельса. Рассматриваются четыре основных аспекта достижения поставленной цели:

—снижение контактных напряжений при взаимодействии колесо — рельс;

—уменьшение статических и динамических вертикальных нагрузок;

210

А.Л.Манаков

—снижение поперечных сил;

—улучшение динамических характеристик подвижного состава. Использование имеющихся в распоряжении железных дорог технических

новшеств или их сочетаний в практической реализации любого из этих аспектов в разной степени изменяет энергетическую картину контакта и, соответственно, износ контактирующих тел.

Интенсивный износ гребней колес подвижного состава и боковой грани рельсов, наблюдаемый в последние годы на железных дорогах России, является следствием многофакторного изменения в течение достаточно длительного времени условий взаимодействия подвижного состава и пути, происходящего главным образом в связи с ростом объема перевозок и повышением грузонапряженности железных дорог.

Существуют два главных направления уменьшения износа как результата работы сил трения:

—снижение абсолютных значений сил трения в контакте;

—сокращение продолжительности контакта гребней колес и боковой поверхности рельсов.

Первая задача является преимущественно трибологической, вторая — затрагивает главным образом конструктивные параметры пути и ходовых частей подвижного состава, определяющие величину ипродолжительность проскальзывания гребня колеса по боковой поверхности рельса.

Изучение фундаментальных закономерностей, обусловливающих характер и интенсивность износа в зоне контакта, показало, что снижение коэффициента трения наиболее эффективно влияет практически на все трибологические и силовые параметры, формируемые в зонеконтактагребнейколес ибоковойграни рельса в кривых участках пути.

Если бы удалось механически обработать контактирующие поверхности так, чтобы по микрогеометрии и другим показателям они совпали с приработанными поверхностями при некоторой характерной кинематике относительного движения и заданном режиме трения, то не было бы необходимости в приработке пары трения для перехода в установившуюся стадию изнашивания. Опыт показывает, что продолжительность приработкитем короче иобъем изношенного металлатем меньше, чем ближе исходная шероховатость трущихся поверхностей к шероховатости их после приработки.

Поскольку к установившейся стадии изнашивания одинаковые пары трения приходят с соответственно одинаковыми шероховатостями поверхностей, то при прочих равных условиях скорость установившегося изнашивания должна быть одной и тойже. Влияние исходной шероховатостиповерхности на интенсивность изнашивания ограничивается стадией приработки.

Прирассмотрениивопросовприработкиинесущейспособностиповерхностей трения нельзя ограничиваться эффектами увеличения площадей касания и лучшего удержания смазочного материала поверхностями. Помимо площадей касания необходимо учитывать механизм изменения поверхностных слоев трущихся деталей, а также изменение прочих физико-химических параметров.

В процессе длительной эксплуатации при наличии скольжения гребней колес по боковой грани головки рельса формируется равновесная шероховатость контактирующих поверхностей (рис. 1). При этом в случаях отсутствия

211

А.Л.Манаков

Шлифование рельсов является неотъемлемой частью работ по текущему содержанию пути практически на всех железных дорогах. Шлифование позволяет устранить или замедлить развитие фрикционного и волнообразного износа рельсов, дефектов контактно-усталостного происхождения в виде выкрашивания и отслаивания металла на головке рельса. На начальном этапе организации работ по шлифованию рельсов применяливосстановительное шлифование, затем текущее и в последние годы планово-предупредительное. Дальнейшим развитием системы стало планово-предупредительное шлифование, более эффективное и экономичное. Оно объединяет положительные стороны трех предыдущих методов и позволяет оптимально организовать ремонтные работы.

Исходя из накопленного нажелезнойдороге опытаможно предположить, что совмещение шлифования с последующей фрикционной металлизацией и поверхностным упрочнением является высокоэффективной технологией.

Цель внедрения комбинированного процесса фрикционной металлизации (ФМ) — достижение стабильного нормируемого уровня удельного износа, при котором пробег локомотивных колес до ремонта (срок службы) составляет не менее 600 тыс. км, а боковой износ рельсов исключает необходимость их внеплановой замены до достижения нормативного пропущенного тоннажа, прежде всего в кривых малого радиуса.

Анализ динамики изменения показателей износа локомотивных колес и бокового износа рельсов, эксплуатируемых в широком спектре климатических зон, при различных планах и профилях структуры пути, его конструкции и качества текущего содержания, типах локомотивов и размерах грузооборота позволил установить, что металлизация боковой грани рельсов обеспечит следующее:

—многократное снижение удельного износа гребней колес подвижного состава и рельсов;

—сведение к минимуму влияния таких факторов, как кривизна пути, величина возвышения наружного рельса в кривых, крутизна подъемов и спусков;

—уменьшение вероятности схода с рельсов вагонов даже с неудовлетворительными ходовыми качествами.

Методом фрикционнойметаллизацииможно создавать равномерный, сплошной, хорошо скрепленный со стальной основой слой мягкого металла, такого как медь, латунь, бронза, снижающего коэффициент трения в соединении. Он представляет собой тонкий промежуточный слой, в который переносятся микросмещения и который способствует тонким структурным изменениям в поверхностном слое детали, происходящим в результате воздействия давления и температуры.

Суть метода ФМ заключается в том, что при трении медного или латунного прутка о поверхность основание покрывается тонким слоем, не отличающимся от исходного. Здесь материал переносится крупинками, которые прочно схватываются со стальной основой и имеют между собой определенную связь.

Применение этого метода позволяет создавать на поверхности стальной детали слой меди толщиной, достигающей 6 мкм, сплошностью 60 % и чистотой поверхности, близкой к исходной. Экспериментально доказано, что металлизированная поверхность дает возможность увеличить предельную нагрузку в паре

213

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

трения в 1,4 раза, а при наличии смазки почти в три раза, снизить коэффициент трения с величины 0,25–0,30 до 0,08–0,1.

По результатам исследований сделан вывод о том, что создание особой структуры поверхностного слоя стальной детали посредством метода ФМ являетсяещеоднимнаправлениемсовершенствованияэксплуатационныхсвойств. Варьируя режимы ФМ, можно получать различные структуры в поверхностных слоях углеродистых и легированных сталей с заданными механическими характеристиками.

В общем виде ФМ можно представить как технологию комплексного воздействия, приводящего к уменьшению шероховатости до равновесной величины, созданию слоя твердой смазки и структурным превращениям в поверхностном слое деталей.

Предложенная технология способствует снижению интенсивностиизнашивания при ограниченной смазке и сокращению времени приработки в паре трения колесо — рельс.

Современные теории о взаимодействии пути и подвижного состава, трибологии и инженерии о поверхностях трения позволяют сделать качественно новый шаг в процессе оптимизации взаимодействия колеса с рельсом и повышения на этой основе срока их службы. С другой стороны, применяя современные технологии, можно решать задачи управляния ресурсом рельсов по износу и контактной усталости, изнашиванием элементов пары, по оценке различных способов упрочнения поверхностей трения, системы мониторинга и принятия технологических решений по обеспечению заданного срока службы колес подвижного состава и рельсов.

214

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

КазарновскийВадим Соломоновичродился в1933 г.в Новоси-

бирске.Послеокончаниясреднейшколыв1951г.поступилвНИВИТ нафакультет«Мостыитоннели»,которыйокончилв1956г.Затемтри годазанималсяпроектированиеммостоввКазахстане.Средиобъектовпроектированиябылидостаточноуникальныйдлясвоеговремени мостовой переходчерезр.УралвУральске. В1959 г.поступил в аспирантуру на кафедру мостов в МАДИ и окончил ее в 1963 г. Защитилкандидатскую диссертациюв 1965г. Пятьлет, с1963 по 1968 гг., работалнакафедре«Мосты, основанияи фундаменты», вначаледоцентомкафедры,затемзаведующим.В1968г.вернулся вроднойинститут,НИИЖТ,накафедру«Строительныеконструкциии зданиянажелезнодорожномтранспорте»,гдеиработаетдонастоящеговремени.В1999г.защитилдокторскуюдиссертацию«Работо-

способностьсварныхсоединенийзамкнутыхпрофилейвдиапазонеклиматическихтемператур». С1990г.понастоящеевремязаведуеткафедрой.

Основные научныеинтересы связаныс проблемой надежности эксплуатируемыхзданий и сооружений,втомчислевусловияхнизкихотрицательныхтемператур.

УДК 624.01:930.24

В.С. КАЗАРНОВСКИЙ

КАФЕДРА «СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ЗДАНИЯ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ» — ОТ ЮБИЛЕЯ К ЮБИЛЕЮ

В статье приводятся краткие сведения об истории создания и развития кафедры, отражаются современные проблемы, решаемые кафедрой в области научно-исследовательской и научнометодической работы.

ПрисозданииНовосибирского путейско-строительного институтаинженеров железнодорожного транспорта первоначально были открыты специальности: «Ремонт и содержание пути»; «Постройка и изыскания железных дорог»; «Здания»; «Водоснабжение»; «Искусственные сооружения». Четыре из них связаны со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений железных дорог. Следовательно, наличие кафедры строительных конструкций и зданий было предопределено задачами, поставленными перед институтом.

Длительное время специалисты по строительным конструкциям входили в состав кафедры мостов и строительных конструкций, преподаватели-архитекто- ры — в состав кафедры изысканий, проектирования и постройки железных дорог. С развитием института и увеличением числа студентов преподаватели цикла строительных конструкций были выделены в отдельную кафедру — «Строительные конструкции и тоннели» (1949). После же образования факультета промышленного и гражданского строительства (1957), выросшего на базе двух специальностей — «Здания» и «Водоснабжение», была создана кафедра «Строительные конструкции и здания» (1959), объединившая конструкторов и архитекторов1.

В разное время наш коллектив возглавляли: Михаил Михайлович Архангельский (1949–1955), Евгений Владимирович Платонов (1955–1957), Федор Федорович Краснов (1957–1979), Дмитрий Матвеевич Меркулов (1979–1984), Илья Борисович Лазарев (1984–1987), Ким Борисович Бобылев (1987–1989),

1 В 1976–1988 гг. преподаватели цикла дисциплин «Здания» были выделены в отдельную кафедру.

198

В.С.Казарновский

ВалентинТимофеевич Горбачев (1989–1990), ВадимСоломонович Казарновский

(с 1990 г.).

Длительное время на кафедре работали кандидаты технических наук, доценты: Федор Петрович Сивочкин, Валентин Иванович Саблин, Георгий Иванович Пирожков, Яков Самуилович Левенсон, Николай Николаевич Губонин, Игорь Георгиевич Чарушников, Федор Иванович Траутвейн, Николай Григорьевич Васильев, Раиса Македоновна Окунева, а также преподаватели: Ирина Матвеевна Тюленина, Виктор Леонидович Никитин, Нина Васильевна Барышникова, отдавшие много сил становлению кафедры, преподаванию учебных дисциплин на высоком уровне, воспитанию инженерных кадров.

Кафедра «Строительные конструкции и здания на железнодорожном транспорте» — однаиз ведущих кафедр факультетаПГС, выпускающая специалистов со сроком обучения 5 лет и присвоением квалификации инженер по специальности:

—270102 — Промышленное и гражданское строительство;

—270115 — Экспертиза и управление недвижимостью.

Учебные занятия ведутся на факультетах: «Промышленное и гражданское строительство», «Строительство железных дорог», «Мосты и транспортные тоннели», заочном факультете.

Научные исследования на кафедре продолжают развиваться традиционно по следующим направлениям:

—эксплуатационная надежность несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений;

—методы реконструкции жилых, общественных и производственных зданий;

—история архитектуры и архитектурное пропорционирование;

—разработкаучебно-методическогообеспечения наосновеинформационных технологий.

В соответствии с указанными направлениями разрабатывались госбюджетные, хоздоговорные научно-исследовательские темы и темы по программе научно-технического сотрудничества с ОАО «РЖД». Продолжались исследования по научно-методической проблеме живучести эксплуатируемых стальных каркасов одноэтажных производственных зданий (ОПЗ). За пятилетие, прошедшее с 70-летия университета, на кафедре защитил кандидатскую диссертацию,посвященнуюсовершенствованиюподкрановыхконструкций,А.А.Новоселов.

Надежное функционирование железных дорог обеспечивается наличием хозяйственной базы и развитой инфраструктуры. Очевидно, что в эффективной работе инфраструктуры огромную роль играет техническое состояние зданий и сооружений железнодорожного транспорта, составляющих значительную часть основных фондов ОАО «РЖД».

Здания и сооружения должны обеспечивать, наряду с бесперебойной и безопасной работой железнодорожного транспорта, здоровые и безопасные условия труда.

К сожалению, из-за спада в экономике, многие производственные здания оказались, по существу, без должного технического надзора. Низкий уровень технической эксплуатации производственных и гражданских зданий приводит к ускоренному износу и раннему выходу из эксплуатации несущих и ограждающих конструкций зданий, а иногда и к авариям. В последние годы резко снизилось также качество строительства, из-за этого участились случаи обрушения вновь возведенных зданий.

199

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

Типичными примерами сказанного могут служить обрушения покрытий локомотивного депо и участка вагонного депо на Западно-Сибирской железной дороге. Участились случаи так называемого прогрессирующего обрушения, которые можно проиллюстрировать следующим примером.

Вмарте 2000 г. обрушилось покрытие стального каркаса цеха литья алюминиевых сплавов Троицкого дизельного завода — шесть пролетов по 24 м длиной 108 м. Стропильные фермы пролетом 24 м с шагом 6 м опирались по крайним рядам на колонны, по средним — на колонны и подстропильные фермы. Причиной обрушения, по мнению комиссии, проводившей расследование, явилась потеря устойчивости опорного раскоса, выполненного с неправильной ориентацией полок уголков одной из ферм. Таким образом, возможное разрушение однойиз ферм вызвало лавинообразное обрушение шестипролетного покрытия.

Приведенный пример подтверждают выводы многочисленных исследований — наиболее подверженными разрушению являются конструкции покрытия. Стропильные фермы, являясь решетчатой конструкцией, состоящей из гибких стержней со сложной конфигурацией сечений и наличием концентрации напряжений в узлах, чувствительны к местным и общим перегрузкам, механическим, температурным и коррозионным воздействиям. Поэтому вполне объяснимо, что наибольшее число дефектов и повреждений стальных каркасов производственных зданий (до 50 %) приходится на стропильные фермы. Основными дефектами и повреждениями стропильных конструкций, встречающимися в массовом количестве в стропильных фермах, являются общие и местные прогибы, некачественные сварные швы, коррозионное повреждение узлов и элементов.

Впоследнее время наметилась тенденция к росту экономики и оживлению промышленности России. Многие здания и сооружения после длительного простоя включаются в активную эксплуатацию. Обследование работоспособности несущих конструкций таких зданий и сооружений, повышение их эксплуатационной надежности, живучести являются весьма актуальными задачами.

Одним из способов повышения живучести статически неопределимых стальных сквозных конструкций может быть увеличение числа статической связности системы покрытия. В одноэтажных производственных зданиях эта задача может быть решенаустройством в покрытиипродольных вертикальных связевых ферм.

Взависимости от величины пролета и состояния покрытия возможна установка от одной до трех связевых ферм. Система покрытия становится много раз статически неопределимой, распределение усилий в элементах системы при наличии дефектов и повреждений становится более благоприятным. Вследствие увеличения числа статической связности момент образования локального механизма отодвигается.

Эффективность работы вертикальных связевых ферм подтверждена натурными испытаниями покрытий зданий авиационной промышленности, в которых продольные связевые фермы устраиваются для перераспределения нагрузки от вертикальных кранов между соседними стропильными фермами.

Подкрепляющие вертикальные связевые фермы могут быть усилены разгрузкой покрытия благодаря применению современных легких кровельных и теплоизоляционных материалов взамен старых «тяжелых» кровель, зачастую со

200

В.С.Казарновский

шлаковой теплоизоляцией и бетонными стяжками. Нагрузка от кровли, как показывает опыт реконструкций, может быть снижена в некоторых случаях в 2– 3 раза (рис. 1).

Рис. 1. Схема устройства продольных связевых ферм

Изложенное, таким образом, подтверждает, что повышение надежности стальных конструкций покрытия ОПЗ наиболее эффективно может быть обеспечено системой продольных связевых ферм. Расчетный анализ блока покрытий при моделировании отказа одной из стропильных ферм, выход из строя опорного раскоса или любого другого элемента показал, что живучесть покрытия обеспечивается системой связей. Стропильная ферма повисает на связевых фермах. Приэтом еевертикальные перемещения не превышают 100 мм. Проблемой живучести стальных конструкций ОПЗ активно занимаются преподаватели кафедры, доц. Л.С. Васильева и аспирант Д.А. Михайлов.

Наряду с конструкциями покрытия в ОПЗ достаточно повреждаемыми элементами являются подкрановые балки, особенно при загружении их мостовыми кранами тяжелого режима работы. Многочисленные обследования ОПЗ различного режима работы и грузоподъемности мостовых кранов показали, что в сварных составных балках двутаврового сечения, из трех листов, в зоне верхнего поясного шва возникают усталостные трещины.

Анализ работ, посвященных выявлению причин образования трещин и совершенствованию методики расчета подкрановых балок на усталостную прочность, позволилсделать вывод, что усталостная прочность верхних поясных швов и верхней зоны в традиционных подкрановых балках со сварным составным сечением в большинстве случаев не обеспечена.

Обзор конструктивно-технологических мероприятий, направленных на повышение долговечности подкрановых балок, позволил принять решение о целесообразности применения балок с верхним поясом из прокатного тавра.

На кафедре было проведено комплексное исследование конструктивной формы балок с верхним поясом из прокатных тавров. Исполнитель работы — А.А. Новоселов.

На первом этапе исследований был проведен детальный анализ напряженнодеформированного состояния балок с тавровым поясом и сварных составных из трехлистовметодомКЭсиспользованиемпрограммногокомплексаCOSMOS/M (рис. 2).

Результаты расчетного анализа позволяют сделать следующие выводы:

— при близких значениях геометрии сечений местное напряженно-деформи- рованное состояние в верхней зоне стенки в балках с поясами из прокатных тавров значительно ниже (до 25 %), чем у традиционной сварной балки;

201