Обоснование конструктивно-технологических решений металлических опорных и поддерживающих конструкций контактной сети с применением гнутых профилей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Карякин, Роман Александрович

• Карякин, Роман Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карякин, Роман Александрович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОРНЫХ И ПОДДЕРЖИВАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КОНТАКТНОЙ СЕТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Металлические опорные конструкции контактной сети железных дорог, применяемые в России и за рубежом.

1.2. Металлические поддерживающие конструкции контактной сети железных дорог, применяемые в России и за рубежом.

1.3. Область применения и преимущества гнутых профилей.

1.4. Защита от коррозии металлических конструкций контактной сети железных дорог.

1.5. Постановка целей и задач исследования.

ГЛАВА 2. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ.

2.1. Требования к конструкциям из гнутых профилей.

2.2. Определение технических параметров профилей.

2.3. Оценка напряженно деформированного состояния конструкций из гнутых профилей.

2.4. Рациональные параметры гнутого профиля для конструкций контактной сети.

2.4.1 Опорные конструкции контактной сети.

2.4.2 Поддерживающие конструкции контактной сети.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ИЗ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ.

3.1. Обоснование новых конструктивных решений опорных и поддерживающих конструкций контактной сети.

3.2. Конструкция оваидальной опоры из гнутых элементов.

3.3. Конструкция консолей и кронштейнов из гнутого профиля.

3.4. Рекомендации по долговечности, монтажу и эксплуатации новых конструкций.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ИЗ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ.

4.1. Методика проведения исследований опорных и поддерживающих конструкций контактной сети из гнутых профилей.

4.2. Стендовые испытания опор из гнутых элементов.

4.3. Стендовые испытания консолей и кронштейнов из гнутого профиля.

4.4. Результаты испытаний.

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование конструктивно-технологических решений металлических опорных и поддерживающих конструкций контактной сети с применением гнутых профилей»

Железнодорожный транспорт занимает ведущее место в транспортной системе России. На его долю приходится около 75% всех перевозок. Электрификация железных дорог (в соответствии с принятой в 2003г МПС РФ Программой до 2010 года) является основным направлением железнодорожного транспорта, обеспечивающим преимущественное повышение провозной способности по сравнению с другими видами тяги.

При общей доле затрат, приходящихся на устройства электроснабжения железных дорог, около половины составляет контактная сеть, работоспособность которой в значительной степени зависит от надежности и долговечности опорных и поддерживающих конструкций.

Проведенный анализ видов и состояния опорных и поддерживающих конструкций контактной сети (ОиПККС) показал что, несмотря на достигнутый высокий уровень разработки таких конструкций, проведение исследований направленных на их совершенствование по снижению расхода стали, трудоемкости монтажа и повышению надежности является актуальным.

На металлические опорные и поддерживающие конструкции контактной сети (опоры, жесткие поперечины, консоли и кронштейны) приходится более половины объема стали, расходуемой на электрификацию железных дорог. Для изготовления таких конструкций традиционно применяют горячекатаные профили (уголки, швеллеры, трубы, листовой и полосовой прокат), которые приводят к значительным затратам, связанным с их технологическим переделом (необходимость применения большого объем сварочных работ), а также значительные затраты для обеспечения защиты от атмосферной коррозии.

Более надежные, экономичные и менее трудоемкие конструкции могут быть созданы путем совершенствования конструктивных схем и методов расчета с более широким внедрением автоматизированных методов на ЭВМ, и использования новых видов проката, а именно гнутых профилей;

ОиПККС подвергаются значительным внешним воздействиям, в связи с их большим износом от неблагоприятных условий воздействия окружающей среды и несовершенства конструкции. В последнее время участились случаи аварий этих конструкций.

Актуальность темы. В России электрифицировано более 40 тыс. км. железных дорог, что составляет 46% общей длины сети. На электрифицированных железных дорогах выполняется более 75% всего объема перевозочных работ.

Электрификация железных дорог является наиболее важным технико-экономическим показателем состояния железнодорожного транспорта. При электрической тяге железных дорог затраты на перевозки снижаются в 1,57 раза по сравнению с дизельной тягой.

В настоящее время на значительной части электрифицированных ж.д. магистралей проводят реконструкцию устройств контактной сети (КС). Это связано с тем, что большинство конструкций отработали свой ресурс и работают в аварийном или близком к нему режиме.

Анализ опорных и поддерживающих конструкций контактной сети показал что, несмотря на достигнутый высокий уровень разработки таких конструкций, проведение исследований, направленных на их совершенствование (снижение расхода стали, трудоемкости изготовления, монтажа и эксплуатации и повышение надежности), является актуальным.

На металлические опорные и поддерживающие конструкции контактной сети (опоры, жесткие поперечины, консоли и кронштейны) приходится более половины расхода стали, расходуемой при электрификации железных дорог. Традиционно применяемые для изготовления таких конструкций горячекатаные профили (уголки, швеллеры, трубы), что приводит к значительным затратам, связанным с технологическим переделом (заготовки, механической обработки и большого объема сварочных работ).

Новые конструктивно-технологические решения металлических опорных и поддерживающих конструкций контактной сети (ОиПККС) должны обеспечить увеличение их срока службы, снизить производственные и эксплуатационные затраты на содержание КС.

Применение гнутых профилей позволит в отличие от прокатных профилей проектировать более рациональное поперечное сечение элементов металлических конструкций КС, а также позволит расширить область применения атмосферостойких сталей.

Целью работы является разработка металлических опорных и поддерживающих конструкций контактной сети из гнутых профилей, с обоснованием их рациональных геометрических параметров с помощью математической модели, адаптированной к современным программным комплексам, с экспериментальным подтверждением её адекватности реальным условиям работы конструкции. Задачи исследования: «>

- анализ отечественного и зарубежного опыта по применению металлических ОиПККС;

- определение критериев и ограничений к ОиПККС;

- выбор рациональных параметров сечений из гнутых профилей для ОиПККС;

- разработка металлических ОиПККС из гнутого профиля с рекомендациями по их монтажу и эксплуатации;

- экспериментальные исследования опытных образцов опорных и поддерживающих конструкций КС;

- технико-экономическое обоснование применения ОиПККС из гнутого профиля.

Методы исследования: анализ отечественного и зарубежного опыта проектирования и эксплуатации ОиПККС; обоснование рациональных параметров сечений ОиПККС с последующим экспериментальным подтверждением, разработка и исследование новых конструкций. Научная новизна работы: 1. Выполнено обоснование целесообразности применения гнутых профилей для ОиПККС;

2. Разработана математическая модель для обоснования рациональных параметров гнутых профилей для ОиПККС, адаптированная для широко применяемых программных комплексов;

3. Разработаны новые конструктивно-технологические решения металлических ОиПККС из гнутых профилей;

4. Разработана методика проведения исследования прочностных и деформа-тивных характеристик ОиПККС из гнутого профиля для проверки адекватности адаптированной математической модели.

Практическая значимость работы:

1. На сновании выполненных автором исследований разработаны новые опорные (опоры - проект №4359) и поддерживающие (консоли и кронштейны - проект №4183) конструкции контактной сети из гнутых профилей. Для участков постоянного и переменного тока, обеспечивающие надежную защиту от коррозии и требуемый срок службы не менее 70 лет;

2. Выполнена экспериментальная оценка правильности принятых технических решений ОиПККС.

Апробация работы: рассмотренные в работе вопросы были обсуждены на научно-практической конференции "Актуальные проблемы использования металлических конструкций в строительстве и архитектуре", проходящей в рамках выставки METALLBUILD-2003, а так же на научно-технической конференции "Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов" проходившей в 2003г в МИИТе.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Карякин, Роман Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Для снижения стоимости изготовления и эксплуатационных затрат, увеличения срока службы целесообразно изготавливать ОиПККС из гнутых профилей, в том числе из атмосферостойких сталей. Применение гнутых профилей позволит в отличие от горячекатаных профилей проектировать более рациональное поперечное сечение элементов металлических конструкций КС;

2. Разработана математическая модель для обоснования новых рациональных параметров гнутых профилей для ОиПККС, адаптированная для широко применяемых программных комплексов;

3. Разработана методика исследования прочностных и деформативных характеристик ОиПККС из гнутого профиля для проверки адекватности адаптированной математической модели реальным условиям работы конструкции;

4. Проведена оценка НДС конструкций из гнутых профилей по математическим моделям реализованным с помощью программных комплексов LIRA и MathCad. Результаты поиска рациональных параметров гнутого профиля и математического моделирования напряженно деформированного состояния подтверждены данными экспериментальной проверки опытных образцов;

5. Разработаны проекты новых металлических конструкций из гнутых профилей:

- №4359 "Металлические консольные опоры контактной сети из гнутых элементов";

- №4183 " Поддерживающие конструкции контактной сети из гнутого профи „ » ля

Новые конструкции ОиПККС обеспечивают: снижение расхода металла и трудоемкости изготовления конструкций в результате уменьшения количества свариваемых элементов, увеличение несущей способности опор вдоль пути в 3 раза и расширяют возможность применения атмосферостойких сталей;

6. При общем максимальном объеме затрат из расчета 1000 опор в год при переходе на конструкции из гнутого профиля капитальные затраты составят

8500 тыс.руб., при сложившейся экономической ситуации срок окупаемости составит 3,5 года, а рентабельность 6,8%;

7. В перспективе применение гнутых профилей позволит более полно обеспечить автоматизацию технологического процесса производства опорных и поддерживающих конструкций контактной сети с совмещением процесса профилирования с другими технологическими операциями (уменьшением трудоемкости сварочных работ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Представленные ОАО „Опытный завод «Гидромонтаж» на предварительные испытания металлические опоры контактной сети из гнутых элементов соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

2. Испытания показали, что обе опоры выдержали механические испытания по прочности. При испытании по деформативности в опоре по I варианту прогиб превысил нормируемую величину на 12%, опора по П варианту испытания по деформативности выдержала.

3. Исходя из результатов предварительных испытаний, для серийного производства рекомендуется опора по II варианту, выдержавшая испытания по прочности и деформативности.

Председатель А.П. Чучев

Члены комиссии А. А. Орел

188

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карякин, Роман Александрович, 2005 год

1. Концепция модернизации устройств электроснабжения железных дорог. Под ред. В.В. Мунькина; Москва 1999г. 152стр.

2. Электрификация железных дорог России (1929-1999г). Под общ. Ред. П.М. Шилкина — М.:Интекст, 1999г. 220стр.

3. Кудрявцев А.А. несущая способность опорных конструкций контактной сети. -М.: Транспорт. 1988 160стр

4. Контактная сеть. Горошков Ю.И., Бондарев Н.А. М.:Транспорт,1973 -384стр.

5. Фрайфельд А.В. и др. Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети. М.:Транспорт,1967 -396стр.

6. Обзорная информация. Опорные конструкции контактной сети. 19777. 50 лет электрификации железных дорог СССР. Под общ. ред. С.М. Сердинова М.: Транспорт. 1976 - 239стр

7. А. А. Орел, А. П. Чучев, А. И. Шелест " Жесткие поперечины для электрифицированных железных дорог ", журнал "Транспортное строительство", №3, 2000 год.

8. А. И. Шелест " Типы жестких поперечин на электрифицированных железных дорогах ", журнал "Транспортное строительство", №10, 1968 год.

9. Отчет по теме Д-ЦНИИС-2-81, р.2.2. " Обобщение передового зарубежного опыта в области транспортного строительства. Электрификация железных дорог ", Москва 1981г.

10. А. А. Орел, А. И. Шелест " Жесткие поперечины рамного типа ", журнал "Транспортное строительство", №2, 1989 год.12,Отчет по теме Д-ЭД-1-73, р. 1.4. " Разработка рекомендаций по конструкциям и расчету жестких поперечин ", Москва 1973г.

11. Японская государственная ЖД корпорация "Норма проектирования и средства сооружений электрической ЖД (путевой линии электропоезда)".

12. М.Металлические конструкции. Под ред. Н.П. Мельникова 2-е изд. Переработанное и дополненное М.: Стройиздат,1980 — 776стр.

13. Металлические конструкции. Учебник для вузов. Под общ. ред. Е.И. Беленя. Изд. 5-е, перераб и доп. М.: Стройиздат,1976 бООстр

14. Шемшурова Н.Г. Сортовые гнутые профили: Учебное пособие. Мугнитогорск: МГМАД997- 102стр.17.научно-технический информационный сборник №21. Москва 1990г.18.техническая информация. Москва 1969

15. Фрайфельд А.В. и др. Устройство сооружение и т.д. 1986 -336стр.

16. Лампси Б.Б. Прочность тонкостенных металлических конструкций. — М.: Стройиздат, 1987. 280 с. : ил.

17. Номы проектирования контактной сети СТН ЦЭ 141-99. Департамент электрификации и электроснабжения министерства путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации. — М., "ТРАНСИЗДАТ", 2001г. 176с.

18. В.В., Пермяков В.А. К.: Буд1вельник, 1981. - 136с. 26.Райзер В.Д. Методы теории надежности в задачах нормирования расчетных параметров строительных конструкций. - М.:Стройиздат, 1986. — 192 с. — (Надежность и качество)

19. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций: учеб. Пособие для студентов вузов — 3-е изд., перераб. И доп. М.: Машиностроение, 1994. -384 е.: ил.

20. Пустовой Н.В., Расторгуев Г.И. Оптимальное проектирование стержней и подкрепленных пластин на основе минимизации энергии деформации: Монография. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2002 317стр.

21. В.А. Баранов, Б.Г. Попов, Н.П. Шатрова, М.В. Шитикова. Расчет тонкостенных стержней открытого профиля: Учеб. пособие / под общ. ред. В.А. Баранова; Воронеж. Инж. строит. Ин-т. - Воронеж. 1989. - 66с.

22. СНиП Н-23-81* "Стальные конструкции"

23. Нормы расчета надежности транспортных сооружений. 1-я редакция

24. Консоли, кронштейны и фиксаторы контактной сети электрифицированных железных дорог типовая программа и методика испытаний. 2002г.34.методика механических испытаний жестких поперечин контактной сети. 2004г.

25. ТУ 5264-812-01393674-04 Ригели жестких поперечин для контактной сети железных дорог., Москва 2004г.

26. ПК ЛИРА, версия 9. программный комплекс для расчета и проектирования конструкций. Справочно-теоретическое пособие под ред. Академика АНН Украины А.С. Городецкого, К.-М.: 2003. 464с.: ил.

27. Научно-технический отчет "Экспирементальное исследование напряженно деформированного состояния металлической опоры из гнутых профилей по проекту ОАО "ЦНИИС" 0351.1." Москва 2001г.

28. Технологичность конструкций изделия: Справочник/Ю.Д. Амиров, Т.К. Алферова, П.Н. Волков и др.; Под общ. ред. Ю.Д. Амирова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 768 е.: ил. - (Б-ка конструктора)

29. И.С.Тришевский, В.В.Клепада, Ф.И.Скоков Гнутые профили проката.

30. Сопротивление материалов. Н.М. Беляев — издание двенадцато М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959

31. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП Н-23-81*), Под. общ. ред. В.А. Балдина, В.И. Трофимова-М.: Центральный институт типового проектирования, 1989. 150 с.

32. Инструкция по применению термодиффузионного цинкования деталей и конструкций контактной сети. №К-106. Москва. 2004г.

33. Карякин Р.А., Надгериев Ц.Х. Оптимизация параметров гнутых профилей для опорных и поддерживающих конструкций контактной сети. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 220. "Транспортные сооружения. Расчеты, испытания, строительство " М.ЦНИИС, 2004, с. 23-30.

34. Карякин Р.А. Разработка и испытание конструкций контактной сети из гнутых профилей. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 223. "Актуальные проблемы электрификации железных дорог" М.,ЦНИИС, 2004, с.62-67.

35. Шелест А.И. Вопросы повышения стойкости к атмосферной коррозии конструкций контактной сети. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 223. "Актуальные проблемы электрификации железных дорог" М.,ЦНИИС, 2004, с.57-61.

36. Specification for hot dip galvanized coatings on iron and steel articles. Стандарт B5 729: 1971. Великобритания.

37. Тришевский И.С., Клепанда В.В. Механические свойства гнутых профилей проката. "Техшка", 1977,143 стр.51 .Межгосударственный стандарт "Конструкции стальные строительные" Общие технические условия. ГОСТ 23118-99.

38. Профили стальные гнутые. Технические условия. ГОСТ 11474-76.

39. ГОСТ 8283-93. Профили стальные гнутые корытные равнополочные. Сортамент.

40. А. Шмидер (A. SCHMIEDER), компания Siemens. Контактная подвеска компании Siemens на участке Любань Померанье Октябрьской железной дороги. Журнал "Железные дороги мира" №11, 2001.

41. Т.КОБАЯСИ (T.KOBAYASHI), Интегрированная контактная сеть. Журнал "Железные дороги мира" №9, 2001.

42. LES INSTALLATIONS FIXES DE TRACTION ELECTRIQUE A LA S.N.C.F. Журнал "Chemins de fer" №394, 1989.

43. H.M. Беляев Сопротивление материалов. Издание двенадцатое. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1959.-856 стр.