Комплексна методика оцінювання напружено-деформованого стану сталезалізобетонних мостів при дії змінних температур навколишнього середовища

This paper reports the full-scale experimental measurements of temperature distribution over the surfaces of bridges' steel-concrete beams under the influence of positive and negative ambient temperatures. It has been established that the temperature is distributed unevenly along the vertical direction of a bridge's steel-concrete beam. It was found that the metal beam accepted higher temperature values. The maximum registered temperature difference between a metal beam and a reinforced concrete slab at positive ambient temperatures was +9.0 °C, and the minimum temperature difference was −2.1 °C. The mathematical models for calculating a temperature field and a thermally strained state of bridges' steel-concrete beams under the influence of variable climatic temperature changes in the environment have been improved, taking into consideration the uneven temperature distribution across a bridge's reinforced concrete beam. The possibility has been established to consider a one-dimensional problem or to apply the three-dimensional estimated problem schemes as the estimation schemes for determining the thermo-elastic state of reinforced concrete bridges. The temperature field and the stressed state of bridges' reinforced concrete beams were determined. It was found that the maximum stresses arise at the place where a metal beam meets a reinforced concrete slab. These stresses amount to 73.4 MPa at positive ambient temperatures, and 69.3 MPa at negative ambient temperatures. The amount of stresses is up to 35 % of the permissible stress values. The overall stressed-strained state of a bridge's reinforced concrete beams should be assessed at the joint action of temperature-induced climatic influences and loads from moving vehiclesПроведены натурные экспериментальные измерения распределения температуры на поверхностях сталежелезобетонных балок мостов при воздействии положительных и отрицательных температур окружающей среды. Установлено, что температура распределяется неравномерно в вертикальном направлении сталежелезобетонные балки моста. Установлено, что высокие значения температуры имеет металлическая балка. Максимальная зафиксированная разница температур между металлической балкой и железобетонной плитой при положительных температурах окружающей среды составила +9,0 °С, а минимальная разница температур между балками при отрицательных значениях температур окружающей среды составила –2,1 °С. Усовершенствована математическая модель расчета температурного поля и термоупругого состояния сталежелезобетонных балок мостов при действии переменных климатических температурных перепадов окружающей среды с учетом неравномерного распределения температуры сталежелезобетонной балкой моста. Установлено, что в качестве расчетных схем определения термоупругого состояния сталежелезобетонных мостов можно рассматривать одномерную задачу, или применять трехмерные расчетные схемы задачи. Проведено определение температурного поля и напряженного состояния сталежелезобетонных балок мостов. Установлено, что максимальные напряжения возникают в месте объединения металлической балки с железобетонной плитой. Величина этих напряжений составляет 73,4 МПа при положительных температурах и 69,3 МПа при отрицательных температурах окружающей среды. Величина напряжений составляет до 35 % от допустимых значений напряжений. Общее напряженно-деформированное состояние сталежелезобетонных балок моста следует оценивать при совместном действии температурных климатических воздействий и нагрузок от подвижных единиц транспортных средствПроведено натурні експериментальні вимірювання розподілу температури на поверхнях сталезалізобетонних балок мостів при дії додатних та від’ємних температур навколишнього середовища. Встановлено, що температура розподіляється нерівномірно у вертикальному напрямі сталезалізобетонної балки моста. Встановлено, що вищі значення температури має металева балка. Максимальна зафіксована різниця температур між металевою балкою та залізобетонною плитою при додатних температурах навколишнього середовища склала +9,0 °С, а мінімальна різниця температур склала –2,1 °С. Удосконалено математичні моделі розрахунку температурного поля та термонапруженого стану сталезалізобетонних балок мостів при дії змінних кліматичних температурних перепадів навколишнього середовища із врахуванням нерівномірного розподілу температури сталезалізобетонною балкою моста. Встановлено, що у якості розрахункових схем визначення термопружного стану сталезалізобетонних мостів можна розглядати одновимірну задачу, або застосовувати тривимірні розрахункові схеми задачі. Проведено визначення температурного поля та напруженого стану сталезалізобетонних балок мостів. Встановлено, що максимальні напруження виникають у місці об’єднання металевої балки із залізобетонною плитою. Величина цих напружень складає 73,4 МПа при додатних температурах і 69,3 МПа при від’ємних температурах навколишнього середовища. Величина напружень становить до 35 % від допустимих значень напружень. Загальний напружено-деформований стан сталезалізобетонних балок моста слід оцінювати при сумісній дії температурних кліматичних впливів і навантажень від рухомих одиниць транспортних засобі

Оцінка напружено-деформованого стану хрестовин стрілочних переводів марки 1/11 методом скінченних елементів

We carried out evaluation of the stressed-strained state of crossings of turnouts by the finite element method in the Ansys programming complex. It was established that under conditions of three-axial compression, at large stresses of vertical compression, the cracks of multi-cycle metal fatigue of the crossing develop. It was found that the development of defects by the code DS 14.1-14.2 on the rolling surface of the cast part of a wing rail and the crossing’s core occurs due to high contact stresses near the edge of the working face of a wing rail and the crossing’s core. They occur in this region in the form of cyclically repeated and sign-alternating normal and tangential stresses from cyclically recurring power impacts from the wheels of rolling stock of railroad transport.It was established that for the normal stresses, values that are maximal by absolute magnitude correspond to the moment when a wheel passes the estiamted cross section of the crossing. For the tangential stresses, on the contrary, at the moment when the wheel is over the estimated cross section, their magnitude is close to zero. The obtained results of the stressed-strained state of crossings are necessary for the optimal design of transverse and longitudinal profiles of the crossing. This will make it possible to extend operation life cycle of the crossings of turnouts and save state budget resources for their current maintenance and repair.Проведена оценка напряженно-деформированного состояния крестовин марки 1/11 методом конечных элементов в программной среде Ansys. Исследована величина деформаций и контактных напряжений в характерных сечениях крестовины. Установлено влияния площади контакта на величину контактных напряжений. Получен характер разрушения поверхности металла усовика и сердечника крестовины при высоком уровне контактных напряженийПроведено оцінку напружено-деформованого стану хрестовин марки 1/11 методом скінченних елементів у програмному середовищі Ansys. Досліджено величини деформацій та контактних напружень у характерних перетинах хрестовини. Встановлено вплив площі контакту на величину контактних напружень. Отримано характер руйнування поверхні металу вусовика та сердечника хрестовини при високому рівні контактних напружен

Теоретичні дослідження ефективності вдосконаленого поздовжнього профілю хрестовин стрілочних переводів

We have developed a comprehensive method to prolong the time of operation of frogs at railroad switches, based on the consideration of a longitudinal profile of the frog, the magnitude of dynamic forces and normal stresses.We have improved a longitudinal profile of the frog, brand 1/11, project 1740, by the method of surfacing under field operation conditions. The slopes of a trajectory after the passage of an average statistical wheel over the proposed profile amount to 3.7 ‰ instead of 10 ‰ for a standard profile of the frog.It was established that increasing a load on the frog to 60 % at the expense of a deflection under the frog beam leads to the accelerated disarrangement of the frog, as a result of fatigue defects at the rolling surface, while the cost of frog operation in this case increases by five times.We modeled a dynamic interaction between the rolling stock and a standard, as well as the proposed, longitudinal profiles of frogs. Calculation of dynamic processes of the nonlinear interaction between the rolling stock and a standard profile of the frog and the profile restored by surfacing, showed that the magnitude of forces for the proposed frog at the motion speed of 150 km/h is 50 % lower compared with a standard longitudinal profile. At linear simulation of dynamic additions of forces, the magnitude of forces decreases for the proposed profile to 30 %.We employed a graphical method to calculate the magnitudes of axial inertia moments and the moments of resistance in the characteristic cross sections of the frog. The estimation of the stressed-strained state of the frog was performed using equations of five moments for a continuous beam on elastic point supports. It was established that stresses at the static calculation of the frog are low and are much less than the maximum permissible magnitude of stresses for a given grade of steel. Therefore, we can argue that the frog works under a load at the expense of existing reserve of strength.Разработан комплексной метод повышения срока службы крестовин стрелочных переводов, основанный на учете продольного профиля крестовины, величины динамических сил и нормальных напряжений.Усовершенствован продольный профиль крестовины марки 1/11 проекта 1740 методом выполнения наплавки в полевых условиях эксплуатации. Уклоны траектории после прохода среднестатистического колеса предложенным профилем достигают 3,7 ‰, вместо 10 ‰ у заводского профиля крестовины.Установлено, что увеличение нагрузки на крестовину до 60% за счет просадки под брусом крестовины приводит к ускоренному расстройство крестовины, вследствие возникновения усталостных дефектов на поверхности катания, при этом затраты на эксплуатацию крестовины увеличиваются в пять раз.Проведено моделирование динамического взаимодействия подвижного состава с заводским и предложенным продольными профилями крестовин. Расчеты динамических процессов нелинейного взаимодействия подвижного состава с крестовиной заводского профиля и профиля восстановленного наплавкой показали, что величина сил в предложенной крестовине при скорости движения 150 км/ч является на 50% ниже по сравнению с заводским продольным профилем. При линейном моделировании динамических добавок сил величина сил уменьшается в предложенного профиля до 30%.Рассчитано графическим методом величины осевых моментов инерции и моментов сопротивления в характерных сечениях крестовины. Проведена оценка напряженно-деформированного состояния крестовины с использованием уравнений пяти моментов для неразрезной балки на упругих точечных опорах. Установлено, что напряжение при статическом расчете крестовины невысоки и гораздо меньше предельно допустимую величину напряжений для данной марки стали. Поэтому можно утверждать, что крестовина работает под нагрузкой за счет использования имеющихся резервов прочностиРозроблений комплексний метод підвищення терміну служби хрестовин стрілочних переводів, що базується на врахуванні поздовжнього профілю хрестовини, величини динамічних сил та нормальних напружень.Удосконалено поздовжній профіль хрестовини марки 1/11 проекту 1740 методом виконання наплавки у польових умовах експлуатації. Уклони траєкторії після проходу середньостатичного колеса запропонованим профілем сягають 3,7 ‰, замість 10 ‰ у заводського профілю хрестовини.Встановлено, що збільшення навантаження на хрестовину до 60 % за рахунок просадки під брусом хрестовини призводить до прискореного розладнання хрестовини, внаслідок виникнення втомних дефектів на поверхні кочення, при цьому витрати на експлуатацію хрестовини збільшуються у п’ять разів.Проведено моделювання динамічної взаємодії рухомого складу із заводським та запропонованим поздовжніми профілями хрестовин. Розрахунки динамічних процесів нелінійної взаємодії рухомого складу залізниць із хрестовиною заводського профілю і профілю відновленого наплавкою показали, що величина сил у запропонованій хрестовині при швидкості руху 150 км/год є на 50 % нижчою порівняно із заводським поздовжнім профілем. При лінійному моделюванні динамічних добавок сил величина сил зменшується у запропонованого профілю до 30 %.Розраховано графічним методом величини осьових моментів інерції та моментів опору у характерних перерізах хрестовини. Проведено оцінку напружено-деформованого стану хрестовини із використанням рівнянь п’яти моментів для нерозрізної балки на пружних точкових опорах. Встановлено, що напруження при статичному розрахунку хрестовини є невисокими і набагато меншими за гранично допустиму величину напружень для даної марки сталі. Тому можна стверджувати, що хрестовина працює під навантаженням за рахунок використання наявних резервів міцност

Розробка перспективної системи діагностики хрестовин стрілочних переводів методом вимірювання поперечного профілю

We have developed a system for diagnosing the frogs of railroad switches, based on the application of modern microcontrollers of the type ESP with high technical characteristics and the simultaneous use of the information technology IoT (Internet of Things). The proposed system has advantages over mechanical systems in terms of the accuracy of data, their operational processing and submission to user in order to analyze technical condition of frogs at railroad switches. The results of measuring the transverse profile of frogs at railroad switches make it possible to take scientifically-substantiated decisions regarding the need for recovery repair of frogs by the method of surfacing and for control over gradual decrease in their carrying capacity, for establishing their actual technical condition and residual resource.We carried out experimental-theoretical research into longitudinal profile of frogs at railroad switches laid on the reinforced concrete bars. It was established as a result that after passing 50–65 million tons of cargo (that corresponds to the medium degree of wear) the trajectory takes the shape of a bump. We observe sharp hollows on the reinforced concrete base in the zone where a wheel rolls from a rail wing onto the core, characterized by significant total inclination. Subsequently, when the passed cargo increases, the number of sinusoidal irregularities grows. At wear close to maximal (80–95 million tons passed), the percentage of unfavorable trajectories (sinusoidal and hollows) grows; at low wear, they make up 49.8 %, at a wear of 5–6 mm and larger – 88.3 %. Sometimes there is a transformation of the sinusoidal irregularities into the wave-shaped ones.We have established characteristic motion trajectories of the center of mass of the wheel over the frog depending on the wear of rail wings and the core of a frog and the passed cargo. A mathematical model was constructed for predicting the wear of frog profile depending on the total weight of passed cargo.Разработана система инновационной диагностики крестовин стрелочных переводов. Проведены экспериментально-теоретические исследования продольного профиля крестовин стрелочных переводов железнодорожного пути, установленных на железобетонных брусьях. Установлены характерные траектории движения центра масс колеса по крестовине в зависимости от износа усовиков и сердечника крестовины. Разработана математическая модель прогнозирования износа профиля крестовин в зависимости от пропущенного тоннажаРозроблено систему інноваційної діагностики хрестовин стрілочних переводів. Проведено експериментально-теоретичні дослідження поздовжнього профілю хрестовин стрілочних переводів залізничної колії, укладених на залізобетонних брусах. Установлено характерні траєкторії руху центра мас колеса по хрестовині залежно від зносу вусовиків та осердя хрестовини. Розроблено математичну модель прогнозування зносу профілю хрестовин залежно від пропущеного тоннаж

Experimental and theoretical evaluation of side tamping method for ballasted railway track maintenance

Ballast layer is the most weak element of railway track that causes track geometry deterioration. At the same time, it is subjected to intensive particle breakage during the corrective tamping. This causes high maintenance costs of ballasted track. The present paper is devoted to the study of tamping methods. The present machine tamping methods are considered and compared. The possible influence of the tamping technology on the ballast-related maintenance costs is analyzed. The side tamping technology is studied in detail with theoretical and experimental methods. The process of material transport during the side tamping is studied using a scale model of ballast layer and photogrammetric measurements. A theoretical finite element model (FEM) is validated to the experimental results. The study shows that the side tamping is a promising method for the development of a universal, superstructure independent tamping technology

Laboratory Evaluation of Railway Ballast Consolidation by the Non-Destructive Testing

The property of railway track to resist the irreversible deformation for a long-term operational loading considerably depends on the ballast layer. The ballast layer is the element of a railway track whose mechanical properties and state are formed in-situ with the help of the ballast cleaning, tamping and distributing machines. The varied properties of the ballast material to obtain the form during the maintenance and retain it during the operation are equally important for the ballast layer. The control over the processes of the ballast consolidation and deconsolidation by means of measurement methods could potentially provide great possibilities for improvement of its properties both during the maintenance and operation. The paper deals with an experimental study of the railway ballast consolidation and deconsolidation processes under the vibration loading of the sleeper. A non-destructive measurement method is proposed to investigate the distribution of the ballast consolidation along the sleeper. The method is based on the measurement of time of mechanical wave propagation. Modern low-cost sensors and powerful microcontroller techniques enable creating smart measurement systems for automatic multi-point data acquisition, online processing and statistical estimation of the ballast consolidation distribution

Evaluation of the Stressed-strained State of Crossings of the 1/11 Type Turnouts by the Finite Element Method

We carried out evaluation of the stressed-strained state of crossings of turnouts by the finite element method in the Ansys programming complex. It was established that under conditions of three-axial compression, at large stresses of vertical compression, the cracks of multi-cycle metal fatigue of the crossing develop. It was found that the development of defects by the code DS 14.1-14.2 on the rolling surface of the cast part of a wing rail and the crossing's core occurs due to high contact stresses near the edge of the working face of a wing rail and the crossing's core. They occur in this region in the form of cyclically repeated and sign-alternating normal and tangential stresses from cyclically recurring power impacts from the wheels of rolling stock of railroad transport.It was established that for the normal stresses, values that are maximal by absolute magnitude correspond to the moment when a wheel passes the estiamted cross section of the crossing. For the tangential stresses, on the contrary, at the moment when the wheel is over the estimated cross section, their magnitude is close to zero. The obtained results of the stressed-strained state of crossings are necessary for the optimal design of transverse and longitudinal profiles of the crossing. This will make it possible to extend operation life cycle of the crossings of turnouts and save state budget resources for their current maintenance and repair

A Comprehensive Procedure for Estimating the Stressed-strained State of A Reinforced Concrete Bridge Under the Action of Variable Environmental Temperatures

This paper reports the full-scale experimental measurements of temperature distribution over the surfaces of bridges' steel-concrete beams under the influence of positive and negative ambient temperatures. It has been established that the temperature is distributed unevenly along the vertical direction of a bridge's steel-concrete beam. It was found that the metal beam accepted higher temperature values. The maximum registered temperature difference between a metal beam and a reinforced concrete slab at positive ambient temperatures was +9.0 °C, and the minimum temperature difference was −2.1 °C. The mathematical models for calculating a temperature field and a thermally strained state of bridges' steel-concrete beams under the influence of variable climatic temperature changes in the environment have been improved, taking into consideration the uneven temperature distribution across a bridge's reinforced concrete beam. The possibility has been established to consider a one-dimensional problem or to apply the three-dimensional estimated problem schemes as the estimation schemes for determining the thermo-elastic state of reinforced concrete bridges. The temperature field and the stressed state of bridges' reinforced concrete beams were determined. It was found that the maximum stresses arise at the place where a metal beam meets a reinforced concrete slab. These stresses amount to 73.4 MPa at positive ambient temperatures, and 69.3 MPa at negative ambient temperatures. The amount of stresses is up to 35 % of the permissible stress values. The overall stressed-strained state of a bridge's reinforced concrete beams should be assessed at the joint action of temperature-induced climatic influences and loads from moving vehicle