Математичне моделювання напружено-деформованого стану рейок безстикової колії з’єднаних алюмотермічною зваркою при дії вантажних вагонів із врахуванням вимог ДСТУ EN 14587

Abstract

Безстикова залізнична колія має ряд переваг перед ланковою колією. Відсутність стиків у безстиковій колії забезпечує зменшення динамічних навантажень коліс рухомого складу на колію, що призводить до зниження вібрації, покращення плавності руху поїздів, а відповідно і комфортабельності перевезення пасажирів. Зменшення ударних впливів від рухомого складу на колію також сприяє довшому терміну служби рейок, шпал, баласту та земляного полотна. Конструкція безстикової колії забезпечується методом зварювання кінців рейок. Це відбувається різними технологіями зварки. Однією із передових технологій зварювання є застосування алюмотермітного зварювання рейок [1–4]. Однак слід зазначити, що зварний стик є зоною у якій можуть розвиватися дефекти та пошкодження рейок [1]. Тому дуже актуальною задачею є оцінка напружено-деформованого стану зварних стиків рейок [5–8]. При проведені оцінки міцності зварного стику рейок слід виконувати вимоги ДСТУ EN 14587 [9]. Навантаження від дії рухомого складу на зварний стик рейок в інженерних розрахунках колії на міцність та стійкість розраховується за методикою, яка наведена у ЦП-0117 [10]. У магістерській кваліфікаційній роботі проведено математичне моделювання напружено-деформованого стану рейок безстикової колії з’єднаних алюмотермітною зваркою. Для оцінки напружено-деформованого стану рейок досліджується вплив силових навантажень від вантажних вагонів на колію із врахуванням вимог ДСТУ EN 14587. Об’єкт дослідження – зварний стик рейок безстикової колії. Предмет дослідження – напружено-деформований стан зварного стику рейок з’єднаний методом алюмотермітного зварювання. Мета дослідження – провести математичне моделювання напружено-деформованого стану рейок безстикової колії з’єднаних алюмотермітною зваркою при дії вантажних вагонів із врахуванням вимог ДСТУ EN 14587. За результатами виконання магістерської кваліфікаційної роботи отримано розв’язок таких задач досліджень: -проведено аналіз причин, які призводять до утворення дефектів та пошкоджень зварних стиків рейок безстикової колії; -проведено аналіз наукових праць, щодо досліджень напружено-деформованого стану стиків рейок безстикової колії; -наведено методику визначення сил на рейковий стик від дії рухомого складу залізниці; -отримано результати дії вертикальних сил на рейковий стик від впливу чотиривісних та восьмивісних вантажних вагонів; -проведено математичне моделювання напружено-деформованого стану зварного стику рейок методом скінченних елементів. Із проведеного аналізу науково-дослідних робіт встановлено, що зварні стики рейок є зонами, яким необхідно приділяти значну увагу при поточному утримані колії. Оскільки у них можуть виникати дефекти при впливі динамічного навантаження від рухомого складу залізниці. Однією із передових технологій зварки рейок є алюмотермітна зварка. Однак забезпечення міцності зварного шва при такій зварці рейок слід визначати експериментальними та теоретичними дослідженнями. Основним документом, який регламентує вимоги до зварювання рейок та випробувань зварних стиків є ДСТУ EN 14587. У роботі наведено методику визначення навантажень на зварний стик рейок від дії навантажень від рухомого складу залізниці відповідно до праці [10]. Встановлено, що максимальні значення сил, які виникають при русі чотиривісного вантажного вагону при швидкості 110 км/год становлять 160,6 кН, а при русі восьмивісного вантажного вагону при швидкості 90 км/год – 146,9 кН. Розроблено математичну модель зварного стику рейок безстикової колії у програмному комплексі SolidWorks. Результати напружено-деформованого стану зварного стику рейок отримано із використанням навчальної ліцензійної версії програми Femap with NX Nastran. Результати проведених розрахунків напружень у зварному стику рейок показали, що максимальна величина напружень отриманих за еквівалентною теорією Мізесса склала 92,75 МПа, а максимальні дотичні напруження склали -11,72 МПа.Continuous welded rail (CWR) track has several advantages over jointed railway track. The absence of joints in CWR reduces the dynamic loads from the rolling stock wheels on the track, which leads to lower vibration, improved smoothness of train movement, and consequently, greater passenger comfort. The reduction of impact loads from rolling stock on the track also contributes to a longer service life of rails, sleepers, ballast, and the subgrade. The construction of CWR is achieved by welding the rail ends together using various welding methods. One of the advanced welding technologies is aluminothermic rail welding [1–4]. As a result, the welded joint becomes a zone where defects and rail damage may develop [1]. Therefore, the assessment of the stress–strain state of welded rail joints is a highly relevant task [5–8]. In the strength assessment of rail welds, the requirements of DSTU EN 14587 [9] are taken into account. The loads from the rolling stock acting on the welded rail joint in engineering calculations of track strength and stability are determined using the methodology provided in CP-0117 [10]. In the master's qualification thesis, mathematical modelling of the stress–strain state of CWR rails joined by aluminothermic welding is carried out. To assess the stress–strain state of the rails, the effect of load forces from freight wagons is investigated, taking into account the requirements of DSTU EN 14587. Object of the study – the welded joint of CWR rails. Subject of the study – the stress-strain state of the welded rail joint formed by the aluminothermic welding method. Purpose of the study – to perform mathematical modelling of the stress-strain state of CWR rails joined by aluminothermic welding under the action of freight wagons, taking into account the requirements of DSTU EN 14587. Based on the results of the master's qualification thesis, the following research tasks were solved: -an analysis of the causes leading to defects and damage in welded joints of CWR rails was conducted; -an analysis of scientific works regarding studies of the stress-strain state of CWR rail joints was carried out; -a methodology for determining forces on the rail joint from railway rolling stock was presented; -results were obtained on the effects of vertical forces on the rail joint from four-axle and eight-axle freight wagons; -mathematical modelling of the stress-strain state of the welded rail joint was carried out using the finite element method. From the analysis of research studies, it has been established that welded rail joints are zones requiring significant attention during routine maintenance, as defects may occur in them under the influence of dynamic loads from railway rolling stock. One of the advanced technologies for rail welding is aluminothermic welding. However, ensuring the strength of the weld in such rail joints should be determined through experimental and theoretical studies. The main document regulating the requirements for rail welding and testing of welded joints is DSTU EN 14587. This study presents a methodology for determining the loads on a welded rail joint under the action of loads from railway rolling stock. It was established that the maximum forces occurring during the movement of a four-axle freight wagon at a speed of 110 km/h amount to 160.6 kN, while for an eight-axle freight wagon at a speed of 90 km/h – 146.9 kN. A mathematical model of a welded joint of continuously welded rails was developed in the SolidWorks software package. The results of the stress-strain state of the welded rail joint were obtained using the educational licensed version of Femap with NX Nastran. The results of the performed stress calculations for the welded rail joint showed that the maximum stress value obtained according to the equivalent von Mises theory was 92.75 MPa, while the maximum shear stress was ?11.72 MPa.