Вибрационный метод диагностики металлических ригелей жестких поперечин контактной сети тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Хорошевский, Роман Алексеевич

• Хорошевский, Роман Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хорошевский, Роман Алексеевич

Введение.

Глава 1. Закономерности повреждения ригелей и изменения их несущей способности в процессе эксплуатации.

1.1. Конструктивные особенности ригелей жестких поперечин и технологические повреждения.

1.2. Коррозионные воздействия на ригели жестких поперечин в процессе эксплуатации.

1.3. Виброусталостные трещины в ригелях жестких поперечин.

1.4. Задачи исследования.

Глава 2. Теоретическая модель построения вибрационного способа диагностики ригелей жестких поперечин.

2.1. Общие принципы построения модели диагностирования ригелей

2.2. Модель свободных колебаний ригеля без повреждений.

2.3. Модель колебаний ригеля с несколькими контактными подвесками.

Глава 3. Модели колебаний ригелей с повреждениями.

3.1. Общие предпосылки для построения модели колебаний ригелей с повреждениями.

3.2. Свободные колебания ригеля с одной подвеской и повреждениями нижнего пояса.

3.3. Свободные колебания ригеля с тремя подвесками в средней части

3.4. Влияние решётки и перерезывающих сил ригеля на частоту колебаний ригеля.

Глава 4. Экспериментальные исследования колебаний ригелейжёстких поперечин.

4.1. Методика экспериментальных исследований.

4.2. Результаты испытаний ригелей.

4.3. Технология вибрационной диагностики ригелей.

Глава 5. Экономическая эффективность

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вибрационный метод диагностики металлических ригелей жестких поперечин контактной сети»

Ригели жестких поперечин относятся к одному из наиболее ответственных устройств контактной сети. От их состояния во многом зависит безопасность и бесперебойность движения поездов. Выход из строя даже одного ригеля может привести к длительным перерывам в движении поездов или даже к серьезной аварии. В настоящее время на электрифицированных железных дорогах эксплуатируются более 100 тыс. ригелей жес тких поперечин. Эти конструкции предназначены для закрепления контактных подвесок над путями и представляют собой пространственные сварные фермы балочного типа (рис. 1.1). Для их изготовления используется обычная низколегированная сталь, а защита от коррозии осуществлялась до последнего времени исключительно лакокрасочными покрытиями с небольшим сроком службы.

Рис. 1.1. Пример ригеля жёсткой поперечины

Опыт эксплуатации ригелей жестких поперечин показывают, что после изготовления и монтажа они обладают высокой начальной безотказностью и достаточно эффективны в эксплуатации. Однако с течением времени происходит исчерпание защитных свойств покрытий, они разрушаются и на металле конструкции развиваются коррозийные процессы. Эти процессы влекут за собой уменьшение сечения элементов конструкции, сопровождаются изменениями прочностных и деформационных свойств, как основного металла, так и металла сварных швов.

В соединительных накладных блоках ригелей вследствие появления концентратов напряжения от неравномерного коррозионного износа возникают и развиваются виброусталостные трещины. Все это приводит к снижению несущей способности ригелей и создает угрозу безопасности движения поездов, а в ряде случаев и к отказу конструкций. Такие отказы отмечались на Куйбышевской, Московской, Красноярской и других железных дорог. На устранение и предотвращение отказов затрачиваются большие материальные и финансовые ресурсы. В частности, замена одного ригеля жесткой поперечины обходится в среднем около 400 т. руб.

В последние годы предпринимаются меры по снижению коррозионного воздействия на ригели жёстких поперечин. С одной стороны, проводятся работы по возобновлению покрытий на эксплуатируемых конструкциях. А, с другой стороны, применяются при обновлении и реконструкции участков электрификации более стойкие и долговечные покрытия. Однако необходимо учитывать, что даже наиболее стойкие покрытия имеют сроки службы меньше, чем прогнозируемый срок эксплуатации конструкции вследствие коррозионных воздействий.

Таким образом, можно констатировать, что в той или иной мере все конструкции ригелей в процессе срока эксплуатации подвергаются коррозионному воздействию и в них могут появляться различные трещины. И в силу этого, изменения несущей способности в той или иной степени испытывают все конструкции. Все эти процессы могут усиливаться одновременно с влиянием виброусталостных явлений в накладках блоков, возникающих под действием вынужденных колебаний контактной сети.

Виброусталостные повреждения развиваются независимо от того, имеется на ригеле защитное покрытие или нет. В зарождении и развитии трещин могут сыграть решающую роль концентраторы напряжений, связанные с технологией сварочных работ. При этом виброусталостные повреждения развиваются значительно быстрее коррозионных, и их последней стадией является хрупкое разрушение накладок и прогиб ригеля.

Отсюда очевидной становится актуальность своевременного контроля состояния ригелей жёстких поперечин и диагностики их прочности. Применяемый в настоящее время визуальный контроль малоэффективен, требует подъёма на конструкции, что в условиях наличия напряжения в контактной сети создает в ряде случаев дополнительные трудности, и не позволяет обнаруживать скрытые дефекты.

В настоящем исследовании решение задачи диагностики прочности ригелей осуществляется с применением вибрационного метода. При решении поставленной задачи контроля и диагностики прочности ригелей жёстких поперечин автор опирался на труды учёных и специалистов железнодорожного транспорта Подольского В.И., Котельникова А.В., Кудрявцева А.А., Сердинова С.М., Вологина В.А., Кандаева В.Л., Григорьева B.JL, Наумова А.В. и других авторов, на работы в области транспортных конструкции и материалов Орла А.А., Конюхова А.Д., Скороходова В.Н., Иванова Ф.М., Шурыгина В.П., Рояка Г.С., Чиркова В.П., Соловьянчика А.Р., Розенталя Н.К. и других учёных, на работы в области технической диагностики Клюева В.В., Самокрутова А.А., Козлова В.А., Болотина В.В., Лепендина Л.Ф., Коншина Г.Г, Ланге Ю.В. и других учёных, а также на работы в области колебаний механики разрушения материалов Безухова Н.И., Д.Фохта, Д.Брояка, Черепанова Г.П., Дроздовского Б.А., Тимошенко С.П. и других учёных.

Использовался зарубежный опыт специалистов эксплуатационников в области электрификации железных дорог, а также опыт специалистов в области диагностики металлоконструкций.

Цель работы. Разработка вибрационного метода диагностики несущей способности металлических ригелей жёстких поперечин. Решение этой задачи предусматривает:

- анализ основных закономерностей появления повреждений в ригелях, влияние этих повреждений на несущую способность ригелей;

- определение основных закономерностей влияния повреждений на прочностные свойства металла поперечин;

- построение математических моделей колебаний ригелей с повреждениями в нижних накладках поясов;

- экспериментальные исследования колебаний ригелей с повреждениями;

- построение методики диагностики и требований к аппаратуре.

Работа выполнена в лаборатории контактной сети и токосъёма

Всероссийского научно- исследовательского института железнодорожного транспорта. Основные результаты работы получены при выполнении планов научно- исследовательских работ МПС и ОАО РЖД.

Методы исследований. При выполнении работы использованы методы теории колебаний, механики хрупкого разрушения, методы экспериментального моделирования и испытания натурных образцов.

Научная новизна. Научную новизну работы составляют:

- установление качественных и количественных закономерностей влияния повреждений на несущую способность ригелей;

- закономерности изменения частотного диапазона колебаний ригелей при наличии повреждений;

- зависимость частоты колебаний ригеля от глубины повреждений на нижнем поясе ригелей;

- методика оценки несущей способности ригелей от частоты их колебаний.

Основные положения, выносимые на защиту:

- качественные и количественные закономерности изменения несущей способности ригелей при появлении повреждений;

- закономерности изменения динамических характеристик ригелей при появлении трещины и коррозии;

- зависимость частоты колебаний ригеля от глубины трещины;

- зависимость несущей способности ригелей от частоты колебаний;

- методика диагностики несущей способности ригелей.

Реализация работы:

- разработана методика диагностики несущей способности ригелей жёстких поперечин;

- проведены экспериментальные исследования ригелей жёстких поперечин на действующем участке железной дороги;

- получена справка о внедрении вибрационного метода диагностики на Московской железной дороги;

- обоснованы основные требования к аппаратуре диагностики поперечин.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Хорошевский, Роман Алексеевич

Заключение и выводы

Одним из важнейших устройств контактной сети являются ригели жёстких поперечин. Они предназначены для установки на многопутных участках и служат для закрепления значительного числа подвесок без промежуточных опор. В силу этого к ним предъявляются особые требования по надёжности, необходимой для обеспечения безопасности и бесперебойного движения поездов.

Проведённый анализ показал, что надёжность ригелей жёстких поперечин во многих случаях оказывается недостаточной для обеспечения безопасного и бесперебойного движения поездов. Основными причинами, которые приводят к такому состоянию, являются технологические дефекты изготовления конструкций, неблагоприятное влияние эксплуатационных факторов. Среди технологических факторов особую роль играют дефекты сварных швов и соединений. В работе подробно рассмотрены наружные и внутренние дефекты сварных швов, причины их образования, а также показано неблагоприятное влияние этих дефектов на прочность сварных швов.

Среди эксплуатационных факторов снижения надёжности и несущей способности ригелей рассмотрены коррозионный износ металла конструкций и усталостное трещинообразование в элементах ригелей, преимущественно в стыковых накладках. Отмечено, что в развитии коррозионного износа металла конструкций основную роль играет электрохимический механизм коррозии. Показано влияние на этот механизм влажности, содержания в воздухе агрессивных веществ, газов. Особое внимание обращено на недопустимость нанесения поперечных сварных швов в стыках, где могут развиваться коррозионные разрушения, как швов, так и стыкуемых уголков. Отмечено также влияние на интенсивность коррозионного процесса сезонных колебаний температуры и влажности.

Отдельно рассмотрен малоизученный вопрос появления, развития и влияния на прочность металла усталостных вибротрещин. Показана опасность появления этих трещин на прочность металла и снижение несущей способности ригелей.

В результате обобщающего анализа дефектов, повреждений, воздействий контактной сети установлена необходимость для безопасной эксплуатации ригелей осуществление диагностики их прочности. Сформулированы основные требования к методам диагностики прочности конструкций и показано, что из множества методов диагностики, для диагностики несущей способности ригелей наиболее приемлемым является вибрационный способ. При этом из различных параметров этого способа выбран определяющий параметр, которым является частота собственных колебаний ригеля.

Для реализации этого метода, условий и возможности его применения был разработан ряд математических моделей колебаний ригелей. Рассмотрены модели колебаний ригелей без контактной подвески и отсутствие повреждений, с одной и тремя контактными подвесками при отсутствии повреждений. В результате решения моделей колебаний ригелей установлено существенное влияние на частоту колебаний ригелей подвешенных к ним контактных подвесок. В частности, наличие одной контактной подвески посреди пролёта снижает частоту колебаний более чем на 20 %. При трёх контактных подвесках в отсутствие повреждений частота колебаний может в зависимости от длины пролёта уменьшаться в несколько раз. В работе приведены данные о частотах колебаний ригелей различной длины и при различном числе подвесок.

Наиболее важную часть работы составляет математическая модель колебаний ригелей с повреждениями в виде поперечных трещин в накладках. При этом для определения частот колебаний ригелей с трещинами предложен новый приём учёта влияния этих трещин путём введения в уравнения колебаний условной жёсткости. С применением этого приёма рассмотрены колебания ригелей с одной контактной подвеской и трещинами под средней подвеской. В частности, показано, что при появлении в ригеле с одной подвеской и трещиной, пересекающей нижнюю полку уголка, частота колебаний ригеля одного и того же пролёта уменьшается более чем на 34 %. Для ригеля с тремя подвесками при такой же трещине посредине пролёта снижение частоты колебаний составляет более 18 %.

В работе проанализировано также влияние решётки ригелей на частоту их колебаний. Показано, что при пролётах более 8 м это влияние незначительно и может не учитываться при расчётах частот колебаний решётчатых ригелей. Для подтверждения возможности использования вибрационного метода для диагностики ригелей осуществлены также полигонные и эксплуатационные испытания, показывающие работоспособность метода.

Определена экономическая эффективность метода и сформулированы требования к методике измерений. Основные выводы:

1. Вибрационный метод позволяет обнаруживать виброусталостные повреждения и определять степень снижения несущей способности ригелей.

2. Основным параметром, чувствительным к состоянию ригеля является собственная частота колебаний.

3. При оценке частоты колебаний ригеля следует учитывать наличие и число подвешенных к ригелю контактных подвесок.

4. Применение вибрационного метода для диагностики несущей способности ригелей целесообразно осуществлять с использованием бесконтактного лазерного виброметра.

5. Применение вибрационного метода для диагностики несущей способности ригелей может дать экономический эффект в размере более 1,0 млн. руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хорошевский, Роман Алексеевич, 2009 год

1. Алексеев А.П. Справочник по строительным работам при электрификациижелезных дорог. М.: Транспорт, 1964 г., 323 с.

2. Стальные конструкции. СНиП-И-23-81. М.: 2000 г., 94 с.

3. Нормы безопасности на железнодорожном транспорте. НБ-ЖТ-ЦЭ 667- 2003г. М.: 20 с.

4. Кудрявцев И.В., Гладштейн Л.И. Усталость сварочных конструкций. М.:

5. Машиностроение, 1976 г. 270 с.

6. ГОСТ-17102-71. Качество продукции. Классификация продукции по качествуи виды дефектов. Трещины и определения.

7. Вейнгартен A.M. и др. Судостроительная сталь. Л.: Судпромиздат, 1962 г.210 с.

8. Кудрявцев А.А. Несущая способность опорных конструкций контактнойсети. М.: Транспорт, 1988 г., 160 с.

9. Скороходов и др. Строительная сталь. М.: Металлургоиздат, 2002 г. 622 с.

10. Мюнзе В.Х. Усталостная прочность сварочных стальных конструкций. М.:

11. Машиностроение, 1968 г. 310 с.

12. Дж. Ф. Нотт. Основы механики разрушения. Перевод с английского. М.:

13. Металлургия, 1978 г. 256 с.

14. Глаголевский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методыконтроля в машиностроении. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение. 1977 г. 205 с.

15. Прочность сварочных соединений при переменных нагрузках. Сборникстатей под редакцией Труфякова В.И. Киев. Наукова думка. 1990 г. 256 с.

16. Прочность при малоцикловом нагружении. Сборник статей под редакцией Серенсена С.В. М.: Машиностроение, 1975 г. 288 с.

17. Устройства электрификации и продольного электроснабжения. Труды

18. ЦНИИ С. под редакцией Фёдорова Д.И. М.: Транспорт, 1982 г., 263 с.

19. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Перевод с английского. Ленинград Химия, Ленинградское отделение. 1989 г. 455 с.

20. Балашов В.П., Дубицкий Л.Г., Сретенский В.Н., Широкое использованиеметодов неразрушающего контроля в процессе производства и оценки качества изделий электронной техники, М., 1969. 235 с.

21. Пустовой В.Н., «Металлоконструкции подъемных машин. Разрушение ипрогнозирование остаточного ресурса.», М.: Транспорт, 1992. 256 с.

22. Балашов Г.А. и др. Защита строительных конструкций от коррозии.

23. Издательство литературы по строительству. Москва. 1966 г. 224 с.

24. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования исооружений. Справочник. М.: Машиностроение. 1987 г. том I, 688 с.

25. Vernon W., Trans. Faraday Soc., 1927 V.23, p.l 13, ibid., 1931 V.27, p.255.

26. Trans. Electrochem. Soc., 1933 V.64, p.31.

27. Зависимость потенциала и скорости коррозии низколегированной стали от толщины плёнки водного раствора. Corros. Sci. 1998, 40, № 9, 102-108 с.

28. Алексеев С.Н. и др. Ингибиторы коррозии стали в железобетонныхконструкциях. М.: Стройиздат, 1985 г. 272 с.

29. Подольский В.И. Эксплуатационные воздействия на опоры контактной сетиэлектрифицированных железных дорог и повышение их надёжности. Автореферат на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: 1997 г. 66 с.

30. Конюхов А.Д., Осадчук Г.И. Коррозионные материалы для кузовов вагонов.

31. Москва, Транспорт, 1987. 143 с.26. «Указаниях по техническому обслуживанию и ремонту опорныхконструкций контактной сети. К-146. М.: Трансиздат, 2003 г. 88 с.

32. Романов О.Н. О закономерностях роста трещин при коррозионной усталости сталей. ФХММ. 1980. №3. 14-29 с.

33. Романов О.Н., Никифорчин Г. Н., Вольдемаров А. В. Коррозионноциклическая трещиностойкость; закономерности формирования порогов и ресурсные возможности различных конструкционных сплавов. ФХММ. 1985. №3.7-20 с.

34. Броек Д. Основы механике разрушения. Перевод с английского. М.: Высшаяшкола, 1980. 368 с.

35. Уорд И. Механические свойства полимеров. Перевод с английского. М.: Химия. 1975 г. 358 с.

36. Тимошенко С. П. Устойчивость упругих систем. Огиз. Гостехиздат, 1946.

37. Крикскунов JI.3., Падалко Г.А. Тепловизоры. Киев: Техника, 1987. 166 с.

38. Griffith А.А. The phenomena of rupture and flow in solids. Phil. Trans. Roy. Soc.of London. A 221 (1921) pp. 163-197.

39. Качанов JI.M. Основы механики разрушения. M.: Наука. 1974 г. 260 с.

40. Сердинов С.М. Повышение надёжности устройств электроснабженияэлектрифицированных железных дорог. М.: Транспорт. 1985 г. 302 с.

41. Панасюк В.В., Саврук М.П., Дацишин A.JI. Распределение напряженийоколо трещин в пластинах и оболочках. Киев: Наукова думка, 1976 г. 150 с.

42. Филин А.П. Прикладная механика твёрдого деформируемого тела. Том I.

43. Издательство Наука. Главная редакция физико — математической литературы. М.: 1975 г. 832 с.

44. Усталость и вязкость разрушения металлов. Справочник под редакцией

45. Ивановой B.C. и Гуревича С.Е. М.: Наука. 1974 г. 180 с.

46. Васильев Ю.Н. и др. Вибрационный контроль технического состояниягазотурбинных газоперекачивающих агрегатов. М.: Недра. 1987 г. 198 с.

47. Афанасьев В.Ф. Анализ состояния эксплуатируемых железобетонных опорконтактной сети на электрифицированных дорогах СССр. Труды ЦНИИ МПС. М.: Трансиздат. 1973 г 14-23 с.

48. Малинский В.Д. и др. Испытания аппаратуры и средств измерений.

49. Справочник. М.: Машиностроение. 1993 г. 573 с.

50. ГОСТ 18322-78 . Система технического обслуживания и ремонта техники.1. Термины и определения.

51. ГОСТ-19919-74. Контроль автоматизированный технического состоянияизделий авиационной техники. Термины и определения.

52. Биргер А.И. Техническая диагностика. М.: Машиностроение. 1978 г. 239 с.

53. Дорожко С.М. Контроль и диагностирование технического состояниягазотурбинных двигателей по вибрационным параметрам. М.: Транспорт. 1984 г. 128 с.

54. Основы технической диагностик. Кл. 1. Модели объектов, методы иалгоритмы диагноза. Под редакцией Пархоменко П.П. Москва: Энергия. 1976 г. 476 с.

55. Чалов А.В., Нукович А.А. Диагностика состояния технической системы взадаче индивидуального регламента. М.: МИИТА. 1978 г. 70-74 с.

56. Серов А.В. Диагностика и управление состоянием системы. Москва: Знание.1974 г. 50 с.

57. Говорущенко Н.Я. Диагностика технического состояния автомобилей. М.:1. Транспорт. 1977 г. 163 с.

58. Мирошников JI.B. и др. Диагностирование технического состоянияавтомобилей на автотранспортном предприятии. М.: Транспорт. 1977 г. 163 с.

59. Острейковский В.А. Многофакторные испытания на надёжность. М.:1. Энергия. 1978 г. 152 с.

60. Филлипов А.П. Колебания упругих систем. Издательство академии наук

61. УССР. Киев. 1956 г. 322 с.

62. Крылов А.Н. О некоторых дифференциальных уравнениях математическойфизики, и имеющих приложения в технических вопросах. Издательство АНСССР. 1932 г.

63. Безухов Н.И., Лужин О.В. Устойчивость и динамика сооружений.

64. Издательство по строительству, архитектуре и стройматериалам. М.: 1963 г. 371 с.

65. Голоскоков Е.Г. Филлипов А.П. Нестационарные колебаниядеформируемых систем. Киев: Наукова думка. 1977 г. 151 с.

66. Биргер Н.А. Некоторые математические методы решения инженерныхзадач. Москва: Оборониздат. 1956 г. 151 с.

67. Берштейн С.А. Основы динамики сооружений. М.: Госстройиздат. 1941 г.172 с.

68. Блейх Мелан. Уравнения в конечных разностях статистики сооружений.

69. Перевод с немецкого. ОНТИ. 1935 г. 242 с.

70. Михлин С.Г. Прямые методы в математической физике. М.: ГИТТИ. 1950.

71. Обморшев А.Н. Введение в теорию колебаний. М.: Наука. 1965 г. 276 с.

72. Коненков Ю.К., Давтян М.Д. Случайные механические процессы воборудовании машин. М.: Машиностроение. 1988 г. 272 с.

73. Пальмов В.А. Колебания упругопластических тел. М.: Наука. 1976 г. 231 с.

74. Чернышев М.А. Практические методы расчёта пути. М.: Транспорт. 1967г. 235 с.

75. Парков А.В., Кузнецов В.И. Основы расчёта балок на упругом основании.

76. М.: Трансжелдориздат. 1940 г.

77. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем. М.:

78. Машиностроение. 1976 г. 215 с.

79. Рауш Э. Фундаменты машин. Перевод с немецкого. М.: Материалы построительству. 1965 г. 420 с.

80. Конторович JI.B., Крылов В.И. Приближённые методы высшего анализа.

81. Москва-Ленинград: ГИТТЛ. 1949г.

82. Хорошевский Р.А. Вибродиагностика ригелей жёстких поперечин //

83. Вестник ВНИИЖТ. 2009. № 1. С. 41.43.

84. Хорошевский Р.А. Влияние количества контактных подвесок на процессвибродиагностики ригелей жёстких поперечин // Вестник ВНИИЖТ. 2009. № 3. С. 43.45.

85. Митропольский Ю.А. Проблемы асимптотической теории нестационарныхколебаний. М.: Наука. 1964 г. 431 с.

86. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Физматиздат. 1959 г.139 с.

87. Искрицкий Д.Е. Строительная механика элементов машин. Ленинград:

88. Судостроение. 1970 г. 448 с.

89. Филлипов А.П. Методы расчёта сооружений на колебания. Москва

90. Ленинград: Госстройиздат. 1941 г.

91. Прибор ВР-1А. Инструкция по эксплуатации. 1968 г. 15 с.

92. Гринберг-Басин М.М. Пособие по дипломному проектированию, Транспорт,1986. 168 с.

93. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1985. 640 с.

94. Справочник по электроснабжению железных дорог. Под редакцией

95. Марквардта К.Г. Том 1 и том 2: Транспорт, 1980 г. 256 с. и 392 с.

96. Пособие к курсовому и дипломному проектированию дляэлектроэнергетических специальностей. Под редакцией Блок В.М., М.: Высшая школа, 1981 г. 304 с.

97. Ковтун Н.Ф., Лукин Ю.А. Экономика, организация и планированиехозяйства электроснабжения железных дорог. М.: Транспорт, 1977 г. 240 с.