Расчет показателей надежности рельсового скрепления АРС-4

          Расчет показателей надежности рельсового скрепления АРС-4

1.  Анкерная железобетонная шпала с пружинным скреплением АРС-4

Анкерная железобетонная шпала (сокращенно ШС-АРС) с пружинным рельсовым скреплением АРС-4 – это струнно-бетонная (или стержневая) шпала с двумя несъемными анкерами, замоноличенными в ее подрельсовых зонах. Она предназначена для прикрепления рельсов Р65 и Р75 к железобетонным шпалам железнодорожного пути на прямых и в кривых участках, в том числе высокоскоростных магистралях, линиях с высокой грузонапряженностью и повышенными осевыми нагрузками обращающегося подвижного состава, а также в тоннелях и метрополитенах.

     Основными принципиальными отличиями узла скрепления АРС-4 являются (рис.1):

-  простота конструкции, вдвое меньшее количество деталей в узле (10 вместо 23 в скреплении КБ-65),  в 3 раза меньший вес съемных деталей;

-  несъемный объединенный анкер, замоноличенный в подрельсовой зоне железобетонной шпалы в процессе ее формовки, объединяющий работу двух клеммных узлов, в том числе в горизонтальной поперечной плоскости;

-  две В-образные пружинные прутковые клеммы, диаметр прутка клеммы равен 15 мм (допускается применение прутка диаметром 17 мм); стабильное монтажное усилие прижатия рельса к шпале в узле крепления в пределах от 1,6 до 2,0 тс;

-  два эксцентриковых монтажных регулятора в в виде шестигранника с осью, изготовленные раздельно или отлитые как единая деталь и обеспечивающие необходимую величину натяжения пружин и регулировку;

-  два плоских подклеммника с ограничителями их перемещений относительно клеммы;

-  два нарельсовых изолирующих уголка с центрально расположенным выступом, препятствующим их горизонтальным перемещениям по подошве рельса и фиксирующим положение детали в узле;

-  подрельсовая резиновая прокладка толщиной 14 мм.

Монтаж скрепления АРС-4 осуществляется тремя различными способами: ручным, механизированным и автоматизированным.

          Для ручной сборки и демонтажа анкерного рельсового скрепления на звеносборочной базе и непосредственно в пути, для регулировки натяжения пружинных клемм, а также при текущем содержании и выполнении всех видов ремонтов железнодорожного пути разработан монтажный гаечный ключ. Он состоит собственно из ключа, рукоятки и молотка (величина зева головки – 36 мм, толщина головки – 12 мм, длина рукоятки – 1,2 м.

          Для механизированной сборки (одновременно с двух сторон рельса) и монтажа узла скрепления типа АРС применяется гидравлический монтажно-выправочный домкрат (сокращенно ГИРД-1), а также для вывески рельса (за его головку) относительно шпалы при регулировке положения рельса по высоте в узле скрепления в процессе текущего содержания и ремонтов пути. Ролики, соединенные с основной рамой, предназначены для установки домкрата на головку рельса и его перемещения по рельсу от узла к узлу. Специальное разводящее устройство, соединенное с переносной ручкой, обеспечивает автоматический вывод захватов инструмента из-под головки рельса, ускоряя процесс снятия домкрата с пути, что особенно важно при выполнении работ по текущему содержанию пути в зимних условиях, а также ремонтных работах, выполняемых без изменения графика движения поездов на конкретном участке. Грузоподъемность домкрата – 5,0-8,0 тс, монтажное сжатие вертикального штока домкрата на анкерные усы одной клеммы – 1,6 тс. Замена вертикального штока на горизонтальный обеспечивает вывеску рельса (за его головку) относительно шпалы, что обеспечивает регулировку положения рельса по высоте за счет узла скрепления, т.е. укладку под подошву рельса регулировочных прокладок необходимой толщины; съемность рабочих штоков в случае необходимости.

          Для автоматизированной сборки на звеносборочных базах и в пути предназначены машины М-АРС-1 и М-АРС-2, запроектированные Тульским ГНПП "Сплав".

          По сравнению с типовой конструкцией КБ-65 анкерная железобетонная шпала со скреплением АРС-4 обеспечивает:

-  повышение скоростей и гарантии безопасности движения поездов за счет оптимизации взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути, стабильности ширины рельсовой колеи, надежного пружинного прикрепления, вертикальной и боковой амортизации подошвы рельса (вдвое увеличивается межремонтный срок эксплуатации путевой решетки);

-  в 3 раза ускоряет и упрощает технологический процесс сборки и демонтажа путевой решетки, исключается ряд мелких технологических операций;

-  упрощает все виды ремонта пути, снижает как минимум на 50% затраты дистанций пути на текущее содержание промежуточных скреплений за счет отсутствия в них соединений;

-  на 30% снижена материалоемкость узла скрепления, что позволяет экономить на одном километре пути не менее 15-ти тонн металла;

-  уменьшаются транспортные расходы и размеры складских помещений на звеносборочных базах;

-  многократно снижаются затраты на текущее содержание путевой решетки.

2.  Модель "нагрузка-прочность" для оценки надежности анкерного рельсового скрепления АРС-4

          При оценке надежности современных сложных конструкций широко применяют методы, основанные на анализе физических процессов, протекающих в материалах и вызывающих отказы изделий. Применительно к верхнему строению пути основным физическим процессом, протекающим в его материалах, является постепенное механическое разрушение от воздействия колес подвижного состава.

          Состояние скрепления АРС-4 характеризуется к-факторами.

          Одни из этих факторов характеризуют несущую способность (сопротивляемость, прочность), другие – внешнюю нагрузку (вибрационную, силовую).

          В этом случае условия работоспособности скрепления АРС-4 в течение времени t можно записать в виде неравенства:

          Y(t, x₁, x₂, …, x_k-1) = [R(x₁, x₂, …, x_l, t) – Q(x_l+1, …, x_k-1, t)] ³ 0 (1)

где R(x₁, x₂, …, x_l, t) – случайная функция несущей способности  скрепления АРС-4;

Q(x_l+1, …, x_k-1, t) – случайная функция нагрузки.

Вероятность отказа:

q(t) = ò…Y(x₁, x₂, …, x_k-1, t) x ò f (x₁, x₂, …, x_k-1, t) dx1,dx₂,…dx_k-1dt   (2)

          Общего решения этого интеграла не существует. Известен ряд приближенных методов:

          1) группа методов, основанных на классической теории случайных событий (методы Н.С. Стрелецкого, А.Р. Ржаницына);

          2) группа методов, основанных на теории выбросов нагрузки за заданный уровень (методы В.В. Болотина).

          3. Методы А.Р. Ржаницына

          При анализе зависимости Y(x₁, x₂, …, x_k-1) предположим, что распределение определяющих параметров x₁, x₂, …, x_k-1 подчиняется нормальному закону, а функция Y является линейной функцией определяющих параметров, т.е.:

                                                                                                           (3)

          В этом случае функция неразрушимости   Y (резерв прочности) имеет среднее  значение и дисперсию:

                                                                                                        (4)

                               D_y = K_RR + 2 K_RQ + K_QQ,                                                  (5)

где - среднее значение обобщенной прочности прутка скрепления АРС-4;

      - среднее значение обобщенной силовой нагрузки от колес подвижного состава.

          В формуле (5):

          K_RR, K_RQ, K_QQ – элементы корреляционной матрицы.

          Для оценки вероятности безотказной работы А.Р. Ржаницын ввел характеристику безопасности:

                                                                        (6)

          При указанных выше предположениях функция неразрушимости y также распределена нормально.

          Тогда вероятность отказа:

                                                                                 (7)

Где Ф(- интеграл вероятности (см. Приложение 1).

          Соотношения между q(t) и g имеют вид:

q(t)	…..	0,1	0,01	0,001	3,2×10-5	3×10-6	2,9×10-7
g	…..	1,28	2,32	3,15	3,77	4,0	5,0

          Предполагая, что корреляционная связь между нагрузкой и несущей способностью изделия отсутствует, можно ввести коэффициенты изменчивости прочности и нагрузки:

                                                                                                         (8)

                                                                                                          (9)

          Тогда формулу для характеристики безопасности g можно переписать в виде:

                                                                                                  (10)

где х – коэффициент запаса устойчивости.

                                                                                                                  (11)

          Из формулы (10) можно найти x, решив квадратное уравнение:

                                                                                    (12)

или   

отсюда:

                                                (13)

          В строительной механике установлена зависимость коэффициентов изменчивости от коэффициентов перегрузки и однородности, значения которых приводятся в нормативных расчетах:

         

         

          При условии линейности функции y(х₁, х₂,…х_к-1) и справедливости распределения параметров х₁, х₂,…х_к-1 по нормальному закону соотношение для характеристики безопасности можно записать в виде:

                                                                                         (14)

          Задание студентам

          1. Определить коэффициенты запаса устойчивости x и безопасности g скрепления АРС-4 по формулам (10) и (11), приняв:

          а) предел текучести материала прутковой клеммы

         

          б) нагрузка на элементы скрепления

         

          в) коэффициенты изменчивости прочности материала клемм и нагрузки от колес подвижного состава:

         

         

где    - номер варианта.

2.  Определить вероятность полного отказа прутковой клеммы скрепления АРС-4.