Проект модернізації колії (стр. 18 из 18)
Крихкі наскрізні руйнування шийки під поїздами відбуваються в тих випадках, коли поперечні тріщини втомленого походження поступово збільшуючись, досягають такого критичного значення, при якому опір даного перерізу рейки динамічній дії коліс стає недостатнім. Сучасними методами розраховується міцність рейок, що характеризується останньою стадією розвитку втомленої тріщини при досягненні її критичного розміру, при якому відбувається крихке руйнування. Під час експлуатації рейок в металі при періодичності дій знакоперемінних навантажень відбуваються складні взаємозв'язані процеси на всьому протязі головки рейки, які супроводжуються загальним зниженням фізико-механічних характеристик рейки по мірі збільшення пропущеного тоннажу, в тому числі і її міцність.
Розвиток дефектів контактно-втомленого походження також суттєво знижує міцність рейок. Особливо небезпечні дефекти за 21-м малюнком, розвиток яких до розмірів 20% площі перерізу головки значно вичерпує стійкість, пластичність та енергоємність рейок (руйнуюче навантаження знижується на 25%).Розвиток тріщин знижує опір рейок крихкому руйнуванню в колії, особливо при роботі головки в зоні розтягуючих напружень при згині.У зв’язку з цим в розрахунки необхідно ввести додатковий критерій, який дозволив би встановлювати допустимі розтягуючі напруження в головці рейки при різних розмірах дефектів по мірі напрацювання тоннажу. І це не дивлячись на те, що прийняті в свій час мінімальні значення умовної межі текучості рейкової сталі
350 МПа і 400 МІІа відповідно для незагартованих і загартованих рейок, для сучасних рейок складають 470 МПа і 780 МПа.В основі розрахунку безстикової колії на міцність за таким підходом лежить формула
, (7.2)де:
– максимальні розтягуючі температурні напруження, МПа; 
– залишкові напруження металургійного походження в головці рейок;Км – коефіцієнт запасу міцності;
– максимально ймовірні нормальні розтягуючі напруження в головці рейки від коліс рухомого складу, МПа; 
– допустимі напруження для рейки з тріщиною, МПа.Нормальні розтягуючі напруження в головці рейки від коліс рухомого складу, коли вона працює в зоні від'ємного прогину, в умовах рівнопружної основи колії можуть досягати до 25% стискуючих напружень, а при нерівнопружній основі колії та наявності нерівностей на рейці або колесі - до повної величини стискуючих напружень. Сполучення розтягуючих напружень від згину рейки з залишковими напруженнями того ж знаку при наявності в поверхневих шарах головки концентратів в вигляді тріщин суттєво знижують міцність рейок (табл. 7.1)
Таблиця 7.1 Залежність руйнуючого навантаження від напрацьованого тоннажу
| Напрацьований тоннаж, млн.т. брутто | 0 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 |
| Зниження руйнуючого навантаження для рейок Р65,% | 100 | 97 | 94 | 90 | 85 | 82 | 75 |
Виходячи із нерівностей (7.2), допустиме зниження температури рейкових плітей за умовою гарантії відсутності крихкого зламу рейки з дефектом, тобто коли ще не відбувається крихкий злам рейки з дефектом заданого розміру, визначається таким чином
, (7.3)або
, (7.4)де:
– зниження температури рейкових плітей, еквівалентне дії поїзного навантаження по відношенню до головки рейки.Значення розтягуючих напружень в головці рейки типу Р65 в зоні оберненого прогину для колії з залізобетонними шпалами взимку можуть складати від 20 до 40 МПа від дії рухомого складу. Проте при проходженні колеса з повзуном, а також в місцях просідань колії до 40 мм в головці рейки можуть з'явитися розтягуючі напруження біля 160 – 200 МПа.
В нових рейках стандартного виробництва в поверхневих шарах, що межують з поверхнею кочення головки, мають місце розтягуючі залишкові напруження, які складають в середньому 80 МПа для нетермозміцнених рейок і 120 МПа – для термозміцнених. Максимальна величина таких напружень може доходити на глибині 4-5 мм до 200 МПа.
Під дією зовнішніх сил відбувається інтенсивне змінювання залишкових напружень. В нетермозміцнених рейках залишкові напруження на поверхні головки зменшуються більше, ніж вдвічі в початковий період експлуатації, в термозміцнених рейках залишкові напруження змінюються в процесі експлуатації протягом більш тривалою періоду. В зв’язку з певною невизначенністю, в розрахунках прийнято, що залишкові напруження в нетермозміцнених рейках в глибині головки складають 20 МПа, а в термозміцнених – 60 МПа.
Значення
приймається із умови недопущення при мінімальній температурі крихкого зламу рейки з дефектом, який ще не може бути виявленим дефектоскопними засобами. Зі зниженням температури знижується і критичний розмір тріщин, які приводять до крихкого руйнування рейки. Але в кожному конкретному випадку при одній і тій же температурі рейки ламаються від тріщин різного розміру і навпаки – рейки з однаковими тріщинами ламаються при різних температурах. Іншими словами, рейка з малою тріщиною може зламатися і при малих поїзних навантаженнях, якщо велика різниця між температурою закріплення пліті і температурою, при якій відбувся злам.Спостереження та статистична обробка фактичного матеріалу по зламу рейок показала, що значення температурних розтягуючих напружень при зламі рейкових плітей не перевищує 80 – 100 МПа при величині площі поперечної тріщини в головці за 21-м малюнком від 20 до 90% перерізу головки для незміцнених рейок. Тому з позиції забезпечення безпеки руху допустимий рівень розтягуючих напружень в головці з дефектами контактно-втомленого походження необхідно пов'язувати з чутливістю дефектоскопних пристроїв та періодичності контролю рейок в колії. Зараз сучасними дсфектоскопними засобами може бути виявлений мінімальний розмір внутрішньої тріщини втомленого походження, який складає 12 мм.
Аналіз температурних умов роботи безстикової колії на залізницях України [1] показує, що мінімальні температури рейок tminmin знаходяться в межах від - 26°С до - 40°С (крім Севастополя - 22°С та Феодосії - 25°С). Тому для температурних умов залізниць України допустимі величини розтягуючих напружень в головці рейки типу Р65 складають [28]:
= 390 МПа для термічнозміцнених; = 270 МПа для незміцнених.З урахуванням залишкових напружень в головці рейки і прийнятого запасу міцності.Км = 1,3, згідно з (7.3), допустиме зниження температури рейки по відношенню до температури закріплення можна визначити за формулами
- для термозміцнених рейок
, (7.5)- для незміцнених рейок
, (7.6)Виходячи із величини реально можливих максимальних розтягуючих напружень в головці рейки значення допустимих знижень температур рейкових плітей за вказаними вище умовами будуть складати:
- для термозміцнених рейок від 111°С до 122°С;
- для незміцнених рейок від 79°С до 90°С.
Аналізуючи ці значення [Δtp] та порівнюючи їх зі значеннями, приведеними в технічних вказівках [1], видно, що різниця між ними (в першу чергу для термічно незміцнених рейок) практично не суттєва. Тому оцінка міцності рейкових плітей і температурні умови їх закріплення за існуючою методикою формально не протирічить реальним умовам роботи безстикової колії. А допустимі напруження у підошві [σ] = 350 МПа та [σ] = 400 МПа відповідно для незміцнених та термозміцнених рейок можуть розглядатися вже як допустимий рівень деякого узагальненого показника, що характеризує роботу плітей безстикової колії на витривалість в зоні підошви рейок.