книги / Статические и динамические проблемы теории упругости

напряжений. Очень хорошее экспериментальное подтверждение вычислен­ ных напряжений показывает, что теории, о которых говорилось выше,

тельно необходимо, так это определить причину появления трещин и раз­ работать средства предотвращения ее. Работа Д. Фримена и других2 сотруд­ ников Бюро стандартов так же, как и материалы других исследователей, приводят к заключению, что поперечные трещи­

vated temperatures. Transactions of American Institute of Mechanical Engineers, Iron and Steel Divison, N. Y. meeting—Febriary, 1930, p. 225—279.

головки мгновенно проходит область охрупчивания. Согласно Д. Фриме­ ну в головке очень быстро охлажденного рельса, прокатанного из стали, подвергнутой охрупчиванию при 550°С, можно обнаружить внутренние трещины, которые при действии нагрузки от колеса будут развиваться в поперечные трещины. Остается несколько неясным вопрос, достаточна ли величина охрупчивания, найденная Д. Фрименом, чтобы вызвать появление трещин при охлаждении. Возможно, трещины появляются благодаря на­ пряжениям внутри головки рельса при трехмерном растягивающем (очень опасном) напряженном состоянии (рис. 31). Тогда окажется, что полное решение проблемы может прийти с развитием экономичных методов мед­ ленного охлаждения рельсов.

Были сделаны попытки объяснить возникновение поперечных трещин напряжениями в головке рельса, которые появляются при изгибе и за счет контактного давления. Несомненно, что в головке возникают высокие напряжения, но вопрос не в том, что они вызывают возникновение тре­ щин, а в том, что они способствуют их росту после зарождения. Однако мало­ вероятно, чтобы эти напряжения всегда служили причиной возникновения трещин в доброкачественном материале, поскольку трещины редко, по­ чти никогда, не начинаются там, где изгибающие и контактные напряже­ ния достигают максимальных значений.

Можно заметить, что возникновение поперечных трещин обусловлено формой поперечного сечения рельса лишь постольку, поскольку отноше­ ние между объемом и поверхностью головки рельса влияет на скорость охлаждения. Сказанное позволяет сделать вывод, что данная проблема может быть лучше решена металлургами и производственниками. Главным направлением здесь должно стать исследование остаточных напряжений и влияние на них различных методов и скоростей охлаждения.

ИСПЫТАНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

Методы и аппаратура. Сначала испытания в эксплуатационных усло­ виях проводились с целью изучения действия различного типа ходовых частей локомотивов на криволинейные и прямолинейные участки пути. Полученные при этом результаты имеют первостепенное значение для изу­ чения напряжений в рельсе, поскольку они позволяют установить, какие усилия воздействуют на рельсы в действительных условиях.

На основе данных, полученных при статических испытаниях, был разработан метод, в котором измерения с помощью датчика деформаций могли бы проводиться непосредственно в условиях динамики так, чтобы эти измерения могли быть использованы для определения вертикальных и боковых нагрузок от колес. Этот метод описан выше.

Для того чтобы определить зависимость между вертикальной нагруз­ кой и средним напряжением в подошве рельса и между боковой нагрузкой и напряжением в шейке для каждого экспериментального участка, где прикладывалась эта нагрузка, была проведена небольшая статическая ка­ либровка. Кроме того, нагрузка прикладывалась на различных расстояни­ ях от датчиков для того, чтобы определить, какую поправку в направлениях надо внести для учета влияния соседних колес. Приборы, которые исполь­ зовались для этих статических калибровок, аналогичны применяемым при изучении статического напряженного состояния. Они состоят из нагружен­ ного вагона, к которому жестко прикреплялись гидравлические домкраты. Передвигая вагон, можно было быстро разместить домкраты над той точ­

сом 175 м имели рельс с погонным весом 59 /сг, а участок с радиусом 698 м — рельс с погонным весом 49,9 кг. Скорости были в большинстве случаев низ­

характерных испытаний каждого из пяти локомотивов на кривой с радиу­ сом 175 м. Стрелки показывают ориентацию боковых направляющих сил, воздействующих на колеса, и таким образом помогают представить, как локомотив вписывается в криволинейную часть железнодорожного пути, преодолевая сопротивление трения и инерцию. Знак минус, стоящий перед величиной боковой нагрузки, относится к силе, действующей на рельс и направленной от центра кривизн рельсовой колеи.

В е р т и к а л ь н ы е н а г р у з к и . Хотя сумма всех вертикаль­ ных нагрузок в каком-либо из экспериментов всегда практически равна весу локомотива, в дальнейшем будет обнаружена значительная неравно­ мерность в распределении нагрузок на отдельные колеса. Эта неравномер­ ность — следствие шести различных факторов: 1) колебаний из-за неров­ ности рельсовой колеи; 2) вращения противовеса; 3) углового перемещения шатуна; 4) перемещения продольной нагрузки, вызванного тем, что брус автосцепки располагается высоко над рельсом; тяговое усилие на уровне рельса уравновешивается силой, приложенной к брусу автосцепки, кото­ рая создает момент, стремящийся поднять п-ереднюю часть локомотива вверх, когда он тянет состав; 5) центробежной силы или составляющей веса локо­ мотива, возникающей из-за возвышения наружного колеса в том случае, когда скорость движения локомотива меньше расчетной скорости для

После того, как силы и эксцентриситеты были определены во время эксплуатационных испытаний, напряжения в головке и шейке рельса на­ ходились с помощью измерений статических напряжений, описанных ранее.

Испытания со статическим нагружением показали, что продольные напряжения в подошве не являются наибольшими в рельсе. Было обнару­ жено, что боковое давление на реборду равно И 340 кг и вызывает на той стороне головки рельса, где установлен датчик, напряжение сжатия, при­ близительно равное 3164 кг!см2. Максимальное напряжение в подошве рельса, найденное при динамических испытаниях, вызывалось чисто вер­ тикальной нагрузкой и не превышало 1055 кг!см2. При динамических испы­ таниях точка на головке рельса с максимальным изгибающим напряже-

Т а б л и ц а 6

нием, которая является крайней точкой той стороны, где установлен изме­ ритель, отстоит почти на таком же расстоянии от нейтральной оси, что и точка, на которой располагается измеритель деформаций на подошве рельса, поэтому напряжение, равное 1055 кг/см2, может быть отнесено также и к головке. Таким образом, можно сказать, что сжимающие напря­ жения в месте крепления измерителя деформаций на головке рельса не превышают 4220 кг/см2.

Высокие напряжения в вертикальном направлении могут иметь место и в галтеле под головкой. Статические испытания показали, что такие на­ пряжения вызываются, в основном, вертикальной нагрузкой и на них ока­ зывает существенное влияние положение вертикальной нагрузки на голов­ ке. Это положение вертикальной нагрузки определялось приближенно во время динамических испытаний с помощью измерения вертикального про­ гиба головки относительно подошвы. Было обнаружено, что этот специфи­ ческий прогиб в большей степени вызывался вертикальной нагрузкой, чем боковой, и так же зависел от положения вертикальной нагрузки на головке. Поэтому такой прогиб можно было использовать для грубого опре­ деления этого положения.

Совокупность данных, полученных при статических испытаниях мето­ дами фотоупругости идинамическими испытаниями, приводит к заключению, что при максимальных значениях вертикальной и боковой нагрузок (соот­ ветственно 27200 и И 340 кг) и при обычном положении точки приложения

проводились на Пенсильванской железной дороге с сентября по октябрь 1930 г. Два испытательных участка были выбраны около Клеймонта, штат