Сопротивляемость и деформативность композиционного материала на основе древесины при изгибе

Актуальность темы

диссертации обосновывается тем, что Российская Федерация располагает самой большой в мире протяженностью железных дорог, по которым осуществляется более 50% грузоперевозок. При довольно медленном освоении территории России сетью автомобильных дорог такое положение в ближайшие десятилетия останется неизменным.

Лесовозный железнодорожный транспорт, в частности, представляет собой важную фазу производственного процесса лесозаготовок. На его долю приходится более 15% объема вывозимой древесины и более 25% ее себестоимости.

Эффективность его работы в значительной степени определяется транспортноэксплуатационным уровнем, приспособленностью к перевозкам лесных грузов, условиями эксплуатации, безопасностью движения, зависящей от состояния пути, т. е. от физико-механических свойств материала шпал.

Наибольшее распространение в практике развития мировой сети железных дорог получили деревянные шпалы, которые составляют в настоящее время около 80% верхних строений путей. Остальное приходится на долю железобетонных шпал.

Недостатком железобетонных шпал является их жесткость, вызывающая повышенный износ рельсов и бандажных колесных пар, и тем не менее процесс замены деревянных шпал железобетонными идет с нарастанием, несмотря на еще более стремительный рост стоимости металла и цемента.

Нормативные сроки службы деревянных шпал, пропитанных антисептиками, составляет 14.25 лет, но в связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей он снижается до 8. 10 лет, следовательно, объем шпалопиления в ближайшие 15.20 лет в РФ будут составлять 30 млн. штук в год, т. е. более 9.3 млн. м3 по сырью, что вряд ли выполнимо из-за практически полной вырубки деревьев возраста 80−100 лет в доступных лесных массивах.

Как альтернативный дереву и железобетону для железнодорожных шпал в ВГЛТА создан новый древесностекловолокнистый композиционный материал (ДСВКМ) на фурфуролацетоновой смоле ФАМ, армирующим дополнителем которого является древесная щепа с длиной элементов 150.200 мм, а физико-механические характеристики близки аналогичным характеристикам древесины, хотя величины последних, приводимые в справочной литературе, весьма разноречивы, что объясняется несовершенством существующих в древесиноведении методик. Разработанный материал признан пригодным для использования в железнодорожных шпалах Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) и МПС РФ, где намечены его стендовые и эксплуатационные испытания. Однако специалистами МПС было высказано мнение о необходимости исследования ДСВКМ на ползучесть, желательности повышения абсолютного значения предела прочности при изгибе и, для обеспечения конкурентноспособностиснижение цены шпалы, что и определило актуальность представленной работы.

Кроме плана НИР ВНИИЖТ РФ, диссертация выполнялась в соответствии с планами НИР ВГЛТА и Центрально-Черноземного отделения наук о лесе РАЕН.

Целью исследований явилось получение достоверных характеристик прочности и жесткости ДСВКМ как при кратковременном, так и при длительном действии постоянных изгибающих нагрузок на конец заданного срока эксплуатации железнодорожных шпал, брусьев стрелочных переводов и мостов, в том числе лесовозных дорог.

Объект исследований — древесностекловолокнистый композиционный материал, получаемый на основе отходов лесного комплекса.

Научная новизна и отличительные особенности результатов, полученных в диссертационной работе лично автором, вносят вклад в теорию и практику обоснования возможности применения новых композиционных материалов (КМ) на основе древесины в элементах верхних строений путей лесовозных и общего назначения железных дорог и состоят в следующем :

— впервые установлено, что при ступенчатом нагружении вручную и выдержке образца на каждой ступени под нагрузкой в ДСВКМ возникают не только релаксационные процессы, но и ползучести, что позволяет получить величины условных пределов пропорциональности и упругости и соответствующие им прогибы;

— предложена, а затем и подтверждена экспериментально концепция о том, что в ДСВКМ как при кратковременных испытаниях с малой скоростью нагружения, так и при длительных, возникают четыре вида деформацийупругие, вязко-высокоэластические и пластические, что сказывается на видах диаграмм разрушения и кривых ползучести. Последние до предела пропорциональности носят условно — затухающий характер, до предела упругости — установившейся с малой скоростью деформирования, а после него — незатухающий, приводящий к достаточно быстрому разрушению образцов ;

— разработана новая методика прогнозирования величин предела длительного сопротивления и секущего длительного модуля деформаций на конец заданного срока эксплуатации, основанная на знании величины полного упругого прогиба и времени, при котором он достигается образцами при различных величинах постоянных изгибающих нагрузок, и существенно улучшающая методики, используемые в древесиноведении.

— получены значения коэффициента длительности и длительного деформационного коэффициентов при чистом изгибе, которые рекомендуется использовать при расчете элементов верхнего строения железнодорожных и автомобильных лесовозных дорог;

— создан на уровне изобретения экономичный каркасный ДСВКМ, отвечающий требованиям ВНИИЖТ МПС РФ.

— впервые проведены имитационные испытания образца из ДСВКМ как балки на упругом основании, позволившие сравнить теоретические и экспериментальные значения прогибов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждены :

— тщательностью подбора образцов-балок по величине мгновенного модуля упругости ДСВКМ при чистом изгибе ;

— практическим совпадением прогнозируемых значений мгновенного модуля упругости и модуля деформаций ДСВКМ при чистом изгибе и тех же величин, полученных экспериментально;

— использованием при выборе аппроксимирующих функций метода наименьших квадратов, причем было установлено, что наименьшую погрешность удается получить при нелинейной аппроксимации экспериментальных данных с использованием ЭВМ;

— получением патента РФ на изобретение.

Практическая значимость работы и реализация ее результатов состоит в :

— доказательстве на примере ДСВКМ равенства значений пределов пропорциональности и длительного сопротивления, позволяющего рекомендовать отказ от долговременных испытаний КМ на ползучесть и использовать при назначении расчетных сопротивлений первый предел ;

— проведении эксплуатационных испытаний шпал из ДСВКМ на Елецкой дистанции пути ЮВЖД;

— использовании разработанного материала и методик в учебном процессе по линии НИРС и УИРС в ВГЛТА.

На защиту выносятся :

— обоснование физического смысла процессов, возникающих в КМ при малых скоростях и ступенчатом способе нагружения ;

— трактовка понятия «предел длительного сопротивления» ;

— методики прогнозирования величины предела длительного сопротивления и секущего длительного модуля деформаций ДСВКМ на конец заданного срока ^ эксплуатации, например, шпал, основанные на результатах экспериментов и применении аппроксимирующих функций, подбираемых с помощью ЭВМ.

— результаты имитационных и эксплуатационных испытаний шпал. Апробация работы.

Научные положения и результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях по итогам НИР в Воронежской государственной лесотехнической академии (1995,1996,1997,1998 гг.), на всероссийских научно-практических конференциях: «Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка лесоинженерных кадров» и «Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктивного) лесопользования» — Воронеж (1994, 1995 гг.) — на международной научно-технической конференции: «Современные проблемы строительного материаловедения» — Самара (1995г.), Казань (1996г.) — на Всероссийской научной конференции «Современные методы подготовки специалистов и совершенствование средств наземного обеспечения авиации» в ВВВАИУ (1997г.), на региональной конференции-выставке «Реализация научно-технических программ» — Воронеж (1996г.), выставке «Строительство. Архитектура. Дизайн» — Липецк (1996г.), на научной конференции профессорско-преподавательского состава, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 1997 год, посвященной 200-летию Лесного департамента России — Воронеж (1998).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Обзор научных работ, посвященных процессам сопротивляемости и деформативности древесины и композитов во времени показал, что применение для их описания механических и структурных моделей или идеализированных схем строения материалов часто дает результаты, отличающиеся от опытных, и, кроме этого, требует определения большого количества коэффициентов, физический смысл которых достаточно условен. При этом практически не используются возможности современных ЭВМ.

2. Выявлено, что модули упругости и предельные растяжимости армирующих заполнителей ДСВКМ и его полимерных матриц незначительно отличаются друг от друга, что, с позиций механики композиционных материалов, не может гарантировать появление микротрещин как при возникновении температурных и усадочных напряжений, так и под действием длительно действующих нагрузок — в местах их концентрации.

В связи с этим рекомендовано применять упрощенную форму шпалы в виде призмы с постоянными по всей длине трапециевидными поперечными сечениями, а также пластифицирующие добавки.

3. Впервые установлено, что, при ступенчатом нагружении вручную и выдержке образца на каждой ступени под нагрузкой, в ДСВКМ возникают не только релаксационные процессы, но и ползучести, что позволяет получить величины условных пределов пропорциональности и упругости и соответствующие им прогибы. Методики их определения могут быть распространены и на другие материалы, изучаемые в древесиноведении.

4. Предложена, а затем и подтверждена экспериментально, концепция о том, что в ДСВКМ как при кратковременных испытаниях с малой скоростью нагружения, так и при длительных, возникают четыре вида деформацийупругие, вязко — высокоэластические и пластические, что сказывается на видах диаграмм разрушения и кривых ползучести. Последние до предела пропорциональности носят условно затухающий характер, до предела упругости — установившейся с малой скоростью деформирования, а после него — незатухающий, приводящий к достаточно быстрому разрушению образцов.

5. Условный предел упругости, определенный по результатам кратковременных испытаний, не может являться напряжением, характеризующим длительную прочность ДСВКМ, т.к. при нем начинают развиваться пластические деформации. В то же время полный упругий прогиб, соответствующий этому пределу, характеризует ту стадию деформирования, за которой может последовать лавинообразное возникновение микротрещин, ведущее к разрушению элемента при любом значении постоянных напряжений. Наступление этого момента зависит только от времени их действия.

6. Выявлена определяющая роль условного предела пропорциональности как наибольшего напряжения, при котором не только не происходит структурных изменений в полимерной матрице ДСВКМ на молекулярном уровне и, в целом, справедлив закон Р. Гука, но оно и численно равно пределу длительного сопротивления ДСВКМ в конце заданного срока эксплуатации при деформации, равной полному упругому прогибу. Это позволило предложить новые более современные методики прогнозирования величины предела длительного сопротивления и секущего длительного модуля деформаций КМ, в том числе древесины, основанные на экспериментальных данных и применении аппроксимирующих функций, подбираемых с помощью ЭВМ.

7. Численные значения пределов длительного сопротивления и коэффициентов длительности, полученные различными способами, подтвердили, с одной стороны, применимость предложенной ускоренной методики, а с другой стороны, они практически равны значениям предела пропорциональности ДСВКМ, т. е. 11 МПа, и коэффициента пропорциональности, т. е. 0.51.

8. Теоретические и полученные с помощью аппроксимирующих функций значения секущих длительных модулей деформаций и длительных деформационных коэффициентов также являются величинами одного порядка, которые колеблются в пределах от 0.40−10″ до 0.56−104 МПа и от 0.41 до 0.57, соответственно, т. е. = 0.49.

9. На уровне изобретения предложено дополнительное армирование шпал типа А-1 из ДСВКМ базового состава каркасом из необработанных досок, что позволило довести содержание малоценной древесины в ее объеме до 76%, на 30% снизить массу и стоимость при одновременном увеличении предела прочности при изгибе с 22 МПа до 35 МПа, т. е. на 60%.

10. Впервые проведены имитационные испытания образца из каркасного ДСВКМ как балки на упругом основании, находящейся под действием постоянной изгибающей нагрузки. Выявлено, что ползучесть носит затухающий характер, а теоретические расчеты балки достаточноблизко совпадают с данными эксперимента.

11. Шпалы из ДСВКМ базового состава прошли эксплуатационную проверку на Елецкой дистанции пути ЮВЖД, а стендовые из каркасного ДСВКМ — в ВГЛТА и ВНИИЖТ МПС и рекомендованы для государственных испытаний.