Моделирование надвижки плети экскаватором-погрузчиком
СУСЛОВ О.А., АО «ВНИИЖТ», докт. техн, наук, ЭРГАШЕВ У.Э., АО «ВНИИЖТ», Научный центр «Путевая инфраструктура и вопросы взаимодействия колесо-рельс», аспирант
Аннотация. Статья посвящена созданию безопасных условий производства работ по замене рельсовых плетей с применением экскаватора-погрузчика, оборудованного рельсовым захватом. В программном комплексе Femap with NX Nastran создана конечно-элементная модель рельсовой плети. Для определения номинальных параметров условий производства работ рассчитано напряженно-деформированное состояние плети. Проведен сравнительный анализ результатов.
Ключевые слова: бесстыковой путь, рельсовая плеть, надвижка плетей, навесное оборудование, конечно-элементное моделирование, напряжение, деформация, сила реакции.
Современный этап развития путевого хозяйства характеризуется использованием прогрессивных ресурсосберегающих технологий ремонта и обслуживания колеи с применением высокопроизводительных машин, внедрением эффективных конструкций, таких как бесстыковой путь. Обеспечение нормальной работы бесстыкового пути и безопасности движения поездов начинается с укладки плетей. Существующая конструкция бесстыкового пути, способы ее укладки и эксплуатации еще во многом могут быть усовершенствованы [1, 2]. Одно из таких решений — замена инвентарных рельсов на плети и сплошная замена одиночных плетей с применением экскаватора-погрузчика на комбинированном ходу KGT-4RS, оборудованного приспособлением для захвата рельсов [3]. Технология предусматривает комплексную механизацию работ с максимальным повышением выработки в «окно», может быть использована как при строительстве, так и при ремонте на линиях всех классов и специализаций.
Основное требование к таким технологиям — исключить появление напряжений, приводящих к пластическим деформациям в плетях. Для выполнения этого условия следует определить предельные значения технологических параметров подъема и надвижки плети, а также напряжений, при которых возникают только упругие деформации.
Возможный вариант изгиба плети при замене представлен на рис. 1. Суть расчетной схемы следующая: в точках А и В на плеть действуют нагрузки Ra и Rb от колесных пар экскаватора-погрузчика. В точке С осуществляется подъем на высоту h и сдвиг на величину А, при этом максимальные значения изгиба в вертикальной плоскости наблюдаются в точке D. В точке F рельсовая плеть касается основания.
Целью исследований является создание безопасных условий производства работ по замене плетей с применением экскаватора-погрузчика, оборудованного рельсовым захватом.
Для достижение поставленной цели необходимо определить следующее:
- нормальные напряжения, возникающие в плети;
- силу реакции в точке приложения усилия при подъеме и надвижке плети;
- номинальные значения высоты подъема плети и вылета стрелы экскаватора-погрузчика.
Изгибающие напряжения и предельные деформации в плетях определяются расчетом балки на изгиб. Обычное решение здесь невозможно, так как положение точки опоры плети неизвестно и должно быть найдено через условия контакта [4]. Поэтому в программном комплексе Femap with NX Nastran создана конечно-элементная модель рельсовой плети. Конечно-элементная модель с заданными условиями строится в среде Femap. Затем выполняется требуемый анализ в NX Nastran, а результаты визуализируются и документируются в среде Femap [5, 6].
При моделировании плети в программном комплексе Femap with NX Nastran выбран тип конечного элемента Beam. Длина модели составляла 147,4 м. В поперечном сечении модели рельса указаны точки 1 (левая кромка подошвы), 2 (правая кромка подошвы) и 3 (головка рельса), для которых в результатах расчета будут представлены значения нормальных напряжений.
В модели контакт между плетью и шпалой осуществлялся с помощи элемента Spring/Damper, отличительной особенностью которого является возможность задания нелинейных функциональных зависимостей перемещений от приложенных усилий по шести степеням свободы (три — вдоль осей и три — под углом). На рис. 2 представлен фрагмент конечно-элементной модели плети.
Для расчета использовали метод нелинейного статического анализа Nonlinear Static. Исходные данные приняты следующие:
высота подъема — 0,1, 0,15, 0,2 и 0,25 м;
вылет стрелы — 5,32, 5,82, 6,32 и 6,82 м; величина надвижки — 0,57 м.
В результате расчета получены максимальные значения нормальных напряжений в плети от разных конфигураций нагружения (рис. 3). Анализ показывает, что с увеличением высоты подъема нормальные напряжения растут, а с увеличением вылета стрелы — наоборот уменьшаются. Во всех расчетных случаях максимальные значения нормальных напряжений возникают в точке 1 под колесом экскаватора-погрузчика, в точке 2 — при приложении нагрузки, в точке 3 — под колесом экскаватора-погрузчика.
На рис. 3 представлены нормальные напряжения в плети. По [7] предельно допустимые значения нормальных напряжений в рельсовых плетях во время ремонтных работ не должны превышать 400 МПа. В данном работе предел нормальных напряжений был принят равным 267 МПа с учетом коэффициента запаса 1,5. Из графика видно, что значения нормальных напряжений в точках 1 и 3 допустимы во всех расчетных конфигурациях. А нормальные напряжения в точке 2 при вылете стрелы 5,32, 5,82 и 6,32 м и высоте подъема более 0,2 м превышают допустимый предел. На основание графика спроецирована линия пересечения двух поверхностей.
По полученным в результате расчета значениям силы реакции в точке приложения нагрузки построен график (рис. 4).
Из графика видно, что при вылете стрелы 5,32, 5,82, 6,32 м и высоте подъема более 0,2 м, при вылете 6,82 м и высоте подъема 0,2 м значения силы реакции превышают грузоподъемность экскаватора-погрузчика. На основании графика спроецирована линия пересечения двух поверхностей.
На рис. 5 представлены пределы по напряжениям и грузоподъемности. График дает возможность определить номинальные значения высоты подъема и вылета стрелы. Все возможные конфигурации «высота подъема—вылет стрелы», обеспечивающие безопасное производство работ при замене рельсовых плетей, находятся в заштрихованной области. Из графика видно, что наибольший запас по грузоподъемности при высоте подъема 0,2 м наблюдается при вылете стрелы 6,2 м. Поэтому эти значения принимаем номинальными.
Для апробации разработанной модели, а также проверки результатов расчета, к модели рельсовой
плети была приложена нагрузка аналогичная той, которая описана в [9, 10]. Сравнение значений нормальных напряжений по [9, 10] и расчетных показывает, что они сопоставимы, а максимальное отклонение не превышает 8,6 %.
Таким образом были установлены номинальные значения высоты подъема и вылета стрелы для безопасного производства работ по замене рельсовых плетей с применением экскаватора-погрузчика, оборудованного рельсовым захватом.
Проведенный сравнительный анализ результатов, полученных в среде конечно-элементного моделирования, показал их сходимость, что говорит о достаточной адекватности разработанной модели и возможности расширения сферы ее применения.
Список источников
1. Новакович В.И. Бесстыковой путь со сверхдлинными рельсовыми плетями: учебное пособие. М.: Маршрут, 2005. 144 с.
2. Крейнис З.Л., Селезнева Н.Е. Бесстыковой путь. Ч. 1. Как устроен и работает бесстыковой путь: учебное пособие М.: УМЦ ЖДТ, 2009. 84 с.
3. Эргашев У.Э. Двойной роликовый рельсовый захват // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 3. С. 37—39.
4. Fischer F.D. Разгрузка рельсовых плетей // Железные дороги мира. 2005. № 4. С. 69—72.
5. Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran (для Windows XP/Vista/7). M.: ДМК Пресс, 2016. 784 c.
6. Шимкович Д.Г. Femap&Nastran. Инженерный анализ методом конечных элементов: учебное пособие. М.: ДМК Пресс, 2018. 704 с.
7. Бесстыковой путь / В.А. Альбрехт, Н.П. Виноградов, Н.Б. Зверев и др. Под ред. В.А. Альбрехта, А.Я. Когана. М.: Транспорт, 2000. 408 с.
8. KGT-4RS экскаватор-погрузчик на комбинированном ходу / Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию. 2012. 203 с.
9. Шраменко В.П., Хвостик Г.С. Напряженно-деформированное состояние рельсовых плетей при вертикальном изгибе в процессе выгрузки их с подвижного состава // Повышение эффективности бесстыкового пути: сборник научных трудов. М.: Транспорт, 1983. С. 69—76.
10. Лысенко Н.Н. Ресурсосберегающие технологии и средства их реализации по транспортировке, замене и укладке рельсовых плетей бесстыкового пути на бесподкладочных скреплениях: дис. канд. тех. наук: 05.22.06 / МНИТ. М., 2004. 294 с.
SIMULATION OF THE LIFTING THE WHIP WITH A BACKHOE LOADER
Oleg Suslov — D.Sci., Technical expert, Scientific Information and Analytical Center of the Joint-Stock Company «Research Institute of Railway Transport» (NIAC JSC «VNIIZHT»). Russia, Saint Petersburg, suslov.oleg@vniizht.ru
Ulugbek Ergashev — Post-graduate, Scientific Center «Track infrastructure and issues on wheel - rail interaction» (NTs «TsPRK»), JSC «Research Institute of Railway Transport» (JSC «VNIIZHT»). Moscow, Russia, ulugbek.ergashev.1988@mail.ru
Abstract. The article is devoted to the creation of safe conditions for the work on the replacement of rail lashes using an excavator loader equipped with a rail grab. A finite element model of a rail lash has been created in the Femap with NX Nastran software package. To determine the nominal parameters of the working conditions, the stress-strain state of the whip is calculated. A comparative analysis of the results was carried out.
Keywords: long-welded rails, continuous rails, hinged equipment, finite element modeling, tension, deformation, reaction forces.
