МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ ТА ЗВ’ЯЗКУ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ ІМЕНІ АКАДЕМІКА В. ЛАЗАРЯНА

БОНДАРЕНКО ІРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 625.12/.14.033.037

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ОЦІНКИ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ЗАЛІЗНИЧНОЇ КОЛІЇ ЗА РАХУНОК УДОСКОНАЛЕННЯ РОЗРАХУНКОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПІДРЕЙКОВОЇ ОСНОВИ

Спеціальність 05.22.06 – залізнична колія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Колія та колійне господарство” Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

ДАНОВИЧ Віктор Данилович,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку України, професор кафедри “Колія та колійне господарство”.

Консультант _ доктор технічних наук, професор

РИБКІН Віктор Васильович,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку України, завідувач кафедри “Колія і колійне господарство”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гончарук Сергій Миронович,

Одеський національний морський університет,

професор кафедри “Експлуатація морських портів”;

кандидат технічних наук, доцент

Бєлорусов Олександр Ігоревич,

Українська державна академія залізничного транспорту

Міністерства транспорту та зв’язку України, м. Харків, доцент кафедри “Колія і колійне господарство”.

Провідна установа: Київський університет економіки і технологій транспорту, кафедра “Реконструкція і експлуатація залізниць і споруд” Міністерства транспорту та зв’язку України, м. Київ.

Захист відбудеться “26” 05 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .820.01 у Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна за адресою: вул. акад. В.А. Лазаряна, 2, ауд. , м. Дніпропетровськ, 49010.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна.

Автореферат розісланий “ 14 ” 04 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор М. О. Костін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Залізничний транспорт є важливою складовою частиною економіки України, бо забезпечує реалізацію приблизно 75% вантажообігу і більше 40% пасажирообігу від всіх транспортних перевезень країни. Крім того, українські залізниці є основною транспортною ланкою, що з'єднує Україну із Західною і Центральною Європою, Росією і країнами Кавказу. Необхідність розвитку та модернізації залізничного транспорту України при її інтеграції в транспортні системи Європи і Азії зумовлює потребу упровадження швидкісного руху на основних вантажних та пасажирських напрямках залізниць України і подальшого підвищення вагової норми вантажних поїздів.

Зростання навантаження на залізничну колію, у зв’язку з підвищенням швидкості руху та вагової норми вантажних поїздів, вимагає уточнення методів розрахунку залізничної колії. Одним з напрямів таких уточнень є підвищення якості оцінки працездатності залізничної колії за рахунок удосконалення розрахункових характеристик підрейкової основи. Визначення характеристик залізничної колії з використанням усереднених дискретних значень модуля пружності підрейкової основи для ділянок з однаковою конструкцією верхньої будови колії, але розташованих на земляному полотні, що складається з різних ґрунтів, дає рівнозначні характеристики міцності. Проте їх фактичні значення можуть істотно відрізнятися від розрахункових даних ділянок, оскільки несуча здатність ґрунтів не однакова і при однакових навантаженнях їх деформативність різна.

Завданням даної дисертаційної роботи є дослідження процесів, пов'язаних з визначенням достовірних значень модуля пружності підрейкової основи колії, з урахуванням всіх факторів, що суттєво впливають на зазначену величину і з можливістю використання цих уточнень для оцінки працездатності залізничної колії.

Актуальність теми. В умовах ринкової економіки від підприємств потрібна зміна підходу до оцінки економічної ефективності інвестицій і вибору варіантів здійснення капітальних вкладень, у тому числі і в колійному господарстві. Крім того, через територію України проходять головні транс’європейські транспортні коридори, що зумовлює необхідність впровадження швидкісного руху на основних напрямках залізниць України та перспективного рухомого складу з підвищеним осьовим навантаження, тому диференційований підхід при встановленні умов експлуатації колії неминучий. В той же час для визначення допустимих умов експлуатації рухомого складу необхідні достовірні параметри міцності та надійності колії в функціональній залежності від розрахункових параметрів підрейкової основи.

Наведене вище вказує на актуальність розробки нової розрахункової методики, яка враховувала б фактичні параметри конструкції колії. Цим питанням і присвячена дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов'язана з планом виконання науково-дослідних робіт кафедри “Колія і колійне господарство” Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна в галузі удосконалення технічних норм утримання колії і розробці технічної документації. Автор дисертації брала участь в науково-дослідних роботах, що виконувались за завданням Головного управління колійного господарства Укрзалізниці за темою “Проведення динаміко-міцнісних випробувань колії на залізобетонних шпалах з пружним скріпленням типу КПП, рейками UIC60 та розробці рекомендацій по встановленню швидкостей руху поїздів“ (державний реєстраційний номер 0103U007770), договір № /03-9.03-ЦТех 53.148 від 25.04.2003 р.), а також у розробці нормативно-технічного документа “Правила розрахунків залізничної колії на міцність і стійкість” ЦП-0117 затвердженого наказом Укрзалізниці від 13.12.2004 р. № 960-ЦЗ.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості оцінки працездатності залізничної колії за рахунок удосконалення розрахункових характеристик підрейкової основи шляхом розробки методики визначення модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині, що враховує наявність всіх складових конструкції колії.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити такі задачі.

1. Провести системний аналіз існуючих методів визначення напружено-деформованого стану залізничної колії та розробити модель конструкції залізничної колії для дослідження деформативних процесів підрейкової основи при зовнішній дії рухомого складу.

2. Виконати комплексну оцінку впливу різних факторів на величину модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині і розробити методику розрахунку модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині для інженерних розрахунків колії.

3. Провести експериментальну перевірку розробленої методики та відкоригувати аналітичні вирази і значення відповідних коефіцієнтів для розрахунку колії на міцність з урахуванням використовування запропонованої методики.

4. Розробити пропозицію по оцінці деформативної працездатності залізничної колії, забезпечуючи необхідний рівень її надійності, як на стадії проектування, так і експлуатації.

5. Розробити основні положення і методику розрахунку параметрів стабілізуючого шару, що забезпечує необхідну несучу здатність основної площадки, пружні і залишкові деформації земляного полотна в нормативних межах.

Об'єкт досліджень – процес деформативності колії, як системи закономірностей, зв'язків, відносин, у рамках якої розглядалася проблема взаємодії колії і рухомого складу.

Предмет досліджень _параметри деформативності залізничної колії в пружній стадії її роботи.

Методи досліджень. В роботі використано комплексний метод досліджень, який включає аналітичну і експериментальну частини. Для аналітичних досліджень застосовували метод математичного моделювання на основі використовування положень методу кінцевих елементів (МКЕ). Модуль пружності підрейкової основи отримали за допомогою модульного вагону, напруження в рейках вимірювали методом трьох точок та методом Шлумфа за допомогою тензодатчиків, переміщення рейок та шпал вимірювали за допомогою прогиномірів. Обробку експериментальних даних проводили на ПЕОМ, використовуючи методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому.

1. Вперше розроблена модель конструкції залізничної колії, що дозволяє при моделюванні зовнішній дії рухомого складу виконувати дослідження деформативних процесів підрейкової основи з використанням методу кінцевих елементів, яка відрізняється від існуючих моделей більш досконалим врахуванням фізико-конструктивних параметрів колії, що дозволяє більш точно досліджувати деформативний процес.

2. Встановлено аналітичні залежності між фізико-конструктивними факторами і значеннями модуля пружності підрейкової основи колії та розроблена нова методика визначення розрахункових значень модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині при розв’язанні задачі оптимального устрою залізничної колії.

3. Обґрунтовано теоретичні положення і принципи розрахунку характеристик стабілізуючого шару, який забезпечує необхідну несучу здатність основної площадки, пружні і залишкові деформації земляного полотна в нормативних межах, а також дозволяє визначити параметри ефективного використання підбаластного щебеневого шару.

4. Вперше запропоновано додаткові критерії оцінки працездатності колії, що враховують деформативні властивості залізничної колії і забезпечують необхідний рівень її надійності як на стадії проектування, так і експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів.

Встановлені в роботі нові наукові положення є базою для вирішення важливої задачі – підвищення ефективності експлуатації залізничної колії при дотриманні нормативів її устрою і утримання.

Використання інженерної методики розрахунку модуля пружності підрейкової основи у вертикальній площині та оцінки деформативності залізничної колії дозволяє у кожному конкретному випадку залежно від конструктивних особливостей устрою колії встановлювати раціональний режим експлуатації даної ділянки, і, навпаки, дає можливість для заданих умов експлуатації визначати оптимальну за критерієм деформативності конструкцію колії, або заходи щодо її посилення, які прийняті до використання на Придніпровській залізниці.

На основі експерименту і теоретичних розрахунків дані рекомендації Головному управлінню колійного господарства Укрзалізниці по використанню рейок UIC60 на мережі залізниць України.

Отримані діапазони значень модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині використані при підготовці даних у “Правилах розрахунків залізничної колії на міцність і стійкість” ЦП-0117.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується адекватно обраним математичним апаратом, проведенням експериментальних досліджень з достатньою збіжністю одержаних теоретичних та практичних результатів, позитивними результатами використання розробок на діючій залізничній колії.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення, розробки й результати досліджень, що виносяться на захист, отримані особисто автором. У наукових працях, що опубліковані в співавторстві, особистий внесок автора такий: у роботі [1] _отримання виразів переміщень під шпальної пружно-в’язкої основи, написана програма для ПЕОМ розрахунку пружних ліній переміщень поверхні основи та виконані розрахунки переміщень в різні моменти часу в різних перерізах під дією динамічної сили; у роботах [2, 7, 8] _розробка моделі конструкції колії при зовнішній дії рухомого складу з використанням методу кінцевих елементів; у [3, 6, 9] _чисельна оцінка ступеня впливу на деформативність колії різних факторів: роду ґрунту і його стану; роду, товщини і стану баластного шару; типу, епюри і стану шпал; типу скріплень; у [4, 10, 12] _корегування аналітичних виразів і значень відповідних коефіцієнтів для розрахунку колії на міцність з урахуванням використання запропонованої методики; у роботі [13] – ідея і методика оцінки стану колії за додатковим критерієм, враховуючим її деформативні властивості; розробка основних положень і принципів методики розрахунку характеристик стабілізуючого шару; визначення параметрів ефективного використання підбаластового щебеневого шару для посилення конструкції колії. Роботи [5, 11] написані без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації докладалися на: 10-ій Міжнародній конференції по проблемах механіки залізничного транспорту (Дніпропетровськ, березень 2000 р.); 4-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте” (Москва, червень 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы взаимодействия пути и подвижного состава”, присвяченій 90-річчю професора М.А. Фришмана (Дніпропетровськ, жовтень 2003 р.); Першій науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління” (Київ, грудень 2003 р.); 11-ій Міжнародній конференції по проблемах механіки залізничного транспорту (Дніпропетровськ, травень 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути и инженерных сооружений. Повышение качества подготовки специалистов и уровня научных исследований”, присвяченій 100-річчю з дня народження професора Г.М.Шахунянца (Москва, жовтень 2004 р.); 65 Міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта” (Дніпропетровськ, травень 2005 р.). Повністю дисертаційна робота докладалася на науково-практичному міжкафедральному семінарі кафедр “Колія і колійне господарство” і “Проектування, будівництво доріг і геодезія” (Дніпропетровськ, жовтень 2005 р.), на кафедральному науковому семінарі кафедри “Реконструкція і експлуатація залізниць і споруд” Київського університету економіки і технологій транспорту (Київ, 2006 р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 13-ти наукових працях, у тому числі: 7- у фахових виданнях, 6- у матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і 5 додатків. Повний обсяг складає 248 сторінок друкованого тексту, в тому числі: 55 рисунків викладено на 26 сторінках, 39 таблиць _на 23 сторінках, список літератури з 149 найменувань займає 16 сторінок, та 5 додатків викладено на 50 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета й задачі досліджень, відображена наукова новизна результатів, їх практичне значення.

У першому розділі узагальнено багаторічний досвід досліджень напружено-деформованого стану колії. Проведено ретроспективний огляд удосконалювання розрахункової схеми, методики врахування імовірнісного характеру діючих на колію факторів, методів оцінки працездатності колії. Приведено методики експериментального визначення напружено-деформованого стану колії.

З моменту виникнення залізниць у всіх промислово розвинених країнах проводились дослідження й досліди щодо міцності колії. Комплексні дослідження з проблем взаємодії колії і рухомого складу в різні роки виконівали і виконують науково-дослідні інститути і вищі навчальні заклади. У роботах М.Ф. Вериго, В.Д. Дановича, О.П. Єршкова, О.Я. Когана, В.А. Лазаряна, М.А. Фрішмана, Г.М. Шахунянца, М.А. Чернишова та інш. розглянуті питання взаємодії колії і рухомого складу. Дослідження В.Г. Альбрехта, Л.С. Блажко, Ю.Д. Волошко, Е.І. Даніленко, Г.Г. Коньшина, В.С. Лисюка, В.О. Певзнера, В.В. Рибкіна, В.Ф. Яковлева, Т.Г. Яковлевої, J. та інш. присвячені встановленню раціональних умов, що забезпечують безпеку руху и раціональну роботу колії на існуючих залізницях.

Працездатний стан колії (згідно з ДСТ 27.002-89) оцінюється не тільки геометричними, але і характеристиками міцності, завдяки яким забезпечується безпечний пропуск поїздів із установленою швидкістю при дотриманні всіх геометричних вимог. Основою таких умов є функції накопичення ушкоджень колії по мірі росту і граничні (припустимі) їх значення. Незважаючи на те, що напруження у всіх елементах колії, які розраховуються за існуючою методикою, залежать від модуля пружності підрейкової основи, як головного параметра деформативності колії, розрахунок залізничної колії на міцність націлено на визначення її напружено-деформованого стану, але деформативні характеристики не мають статусу оцінних. В якості критеріїв міцності колії в інженерному методі розрахунку використані напруження, що допускаються, у різних елементах конструкції.

Аналіз робіт, присвячених експериментальному і теоретичному дослідженням в області розрахунків колії на міцність, показав, що дотепер відсутній належний розгляд питань, пов'язаних зі зміною напружено-деформованого стану колії від величини модуля пружності підрейкової основи. Недостатньо також вивчено особливості формування модуля пружності підрейкової основи колії. Крім того, відсутня методика розрахунку модуля пружності, яка б враховувала випадковий характер параметрів, що впливають на формування цієї величини. Існування такої методики важливе ще й тому, що модуль пружності підрейкової основи є єднальною ланкою між розрахунком верхньої будови колії на міцність й стабілізацією земляного полотна. Зазначена проблема не є новою, але залишається різнобічною і складною. Таким чином, необхідно проведення додаткових досліджень.

У другому розділі розроблено модель конструкції залізничної колії для дослідження деформативних процесів підрейкової основи з використанням методу кінцевих елементів, виконано зіставлення результатів розрахунку за запропонованою моделлю й експериментальних даних, отриманих у натурних умовах.

Для складання розрахункових схем конструкції залізничної колії прийняті наступні передумови:

конструкція залізничної колії, що представляє собою збірку складових справних елементів (відповідають “Інструкції з утримання земляного полотна залізниць України”, СНиП 2.02.01-83; ДСТ 7392-85, 7394-77, “Інструкції по улаштую та утриманню колії залізниць України”, ДСТ 78-89, 10629-88, 16277-93, 8161-75,24182-80, 7174-75) має свої зазори і люфти, закладені конструктивними нормами. Наявність цих зазорів і їх величини носять імовірнісний характер. Однак врахування впливу даних величин вносить розкид у значення показників напружено-деформованого стану колії. Тому, щоб уникнути ускладнення розрахунку, всі елементи конструкції колії з’єднанні по контактуючим поверхням; _

нижня будова колії представлена у вигляді насипу висотою 3 м на підставі раніше проведених досліджень, де доведено, що на даній глибині відбувається загасання переміщень від зовнішніх сил;_

вертикальні сили в моделях прикладалися до обох рейок або шпали, в залежності від конструкції, що досліджується. Місце і площа прикладення сил відповідає контакту колісної пари вагона з рейкою при центральному положенні першої або місцю та площі контакту підкладок та шпал.

В обраному програмному забезпеченні автором підготовлена модель конструкції колії і визначені критерії необхідної точності завдання параметрів розглянутих ділянок колії. Так, наприклад, було встановлено, що для розгляду питань деформативності залізничної колії мінімальна довжина ділянки повинна бути 6 м.

За розробленою моделлю проведено розрахунки й одержано параметри напружено-деформованого стану об'єктів. Алгоритм розрахунку стану зводиться до такого:

де - збірка елементів колії;

- твердотільний і-й об’єкт множини елементів колії (рейка, шпала тощо);

, - відповідно j-й елемент множини геометричних розмірів і множини фізико-механічних властивостей об’єкту ;

- множина зв’язків між об’єктами;

F, R- відповідно множина навантажень і множина закріплень;

n- кількість циклів розрахунку;

- збіжність суміжних розрахунків;

, - відповідно к-й елемент напружень і деформацій об’єкту .

P- стан моделі відповідно до розрахунків за МКЕ.

За отриманими результатами виконується аналіз і передача даних в інші системи обробки.

З підготовленими моделями (землполотно - щебеневий баласт товщиною 40 см – шпали типу АІ та землполотно - щебеневий баласт товщиною 40 см – шпали типу АІ –рейки типа Р65) виконано порівняльні зіставлення результатів розрахунку й експериментальних даних, отриманих у натурних умовах. На підставі отриманих результатів жорсткість і модуль пружності підшпальної основи складає відповідно за розрахунковими даними 21,14…39,06 кг/см3 і 38,44…71,02 МПа, а за експериментальними 15,79…33,33 кг/см3 і 28,7…60,6 МПа; жорсткість і модуль пружності підрейкової основи складає відповідно за розрахунковими даними 2,18…8,06 кг/см3 і 7,81…44,6 МПа, а за експериментальними 2,11…6,13 кг/см3 і 7,5…31 МПа.

Третій розділ присвячено експериментальній оцінці достовірності розробленої моделі. На основі порівняння з результатами, які отримані при експериментальних дослідженнях, підтверджено достовірність розробленої моделі і можливість використання методу кінцевих елементів при розв’язанні задач по визначенню напружено-деформованого стану колії.

У даному розділі приведені результати впливу рухомого складу на колію із залізобетонними шпалами епюрою 1840 шт/км, пружинним скріпленням типу КПП-5, рейками UIC60, щебеневим баластом з товщиною шару під шпалою 40 см. При цьому метою досліджень було визначення експериментальним і теоретичним шляхом напружено-деформованого стану колії зазначеної конструкції при різних швидкостях руху рухомого складу і встановлення припустимих швидкостей руху. Результатом досліджень є рекомендації по встановленню швидкостей руху на ділянках колії з вищевказаною конструкцією, які наведені в п’ятому розділі.

Експериментальні дослідження проводили на ділянці Київ-Миронівка Південно-Західної залізниці. Для проведення дослідів був сформований дослідний поїзд із двох електровозів ЧС-8 і двох пасажирських вагонів. Поїздки здійснювали зі швидкостями 5, 100, 120, 130, 140, 155 км/год. У процесі виконання робіт на досліджуваній ділянці колії визначали наступні величини: напруження вигину в кромках підошви рейок; напруження вигину на зовнішніх гранях голівки рейок; напруження на шийці рейок (датчики прикріплювалися за методом Шлумфа, але запис виконували по кожному окремо); горизонтальні і вертикальні переміщення голівки і підошви рейок; вертикальні переміщення шпали; горизонтальні сили, що діють на закладні елементи скріплення; характеристики пружності підрейкової основи.

Для розв’язання необхідних задач була складена модель конструкції колії і зроблені розрахунки напружень і деформацій за допомогою МКЕ. Порівняння результатів методики і експерименту дозволили зробити наступні висновки:.

1. Запропонована методика розрахунків враховує параметри ділянки, що відрізняється від “відмінного” стану і дозволяє одержувати результати близькі до експериментальних. Інтервал значень модуля пружності U підрейкової основи колії, розрахований за допомогою МКЕ, складає 30 … 63 МПа, а отриманий експериментально _31,2 … ,2 МПа.

2. Напруження в рейках і прогини рейок, розраховані з застосуванням МКЕ, близькі до максимальних значень. Різниця для напружень і прогинів знаходиться в межах для вагонів і локомотивів відповідно 5%, 6%, 14%, 8%.

3. Величини прогинів, отримані за допомогою МКЭ, мають наступні співвідношення. Їх значення щодо середніх експериментальних для локомотивів і вагонів вище на 5% і 13%, середніх імовірнісних експериментальних для локомотивів вище на 3%, а для вагонів нижче на 15%, максимально спостережених відповідно вище на 9% і 16%. Наведений аналіз свідчить про те, що результати, отримані за запропонованою моделлю, достатньо точно співвідносяться з експериментальними даними. Тому застосування МКЕ можна вважати обґрунтованим і використовувати його для розв’язання відповідних задач.

У четвертому розділі досліджено вплив модуля пружності на напружено-деформований стан колії. Визначено суттєвість впливу різних факторів на формування модуля пружності підрейкової основи. Обґрунтовано, що кожній конструкції колії відповідає діапазон значень модуля пружності , викликаний розкидом параметрів і стану елементів. В дисертаційній роботі розглядався вплив типу й епюри шпал, типу скріплення, роду й товщини та стану баласту, роду та стану ґрунту на значення модулів пружності підрейкової основи.

Для визначення впливу різних факторів було застосовано метод кінцевих елементів, за моделлю, що описана в другому розділі даної дисертації.

В розрахунках були прийняті за основу, тобто набули статусу базових, такі конструкції:

1) рейки типу Р65, шпали типу IA, баласт щебеневий з товщиною шару під шпалою 0,40 м, товщина піщаної подушки 0,2 м;

2) рейки типу Р65, шпали типу Ш1-1, скріплення КБ із товщиною прокладок 7 і 10 мм, баласт щебеневий з товщиною шару під шпалою 0,4 м, товщина піщаної подушки 0,2 м.

Усі розрахунки по дослідженню впливу того чи іншого фактора проведені для даних конструкцій чи відносно них. Для дослідження впливу перерахованих факторів на формування значень модуля пружності колії у вертикальній площині використовували такий алгоритм:

де - множина деформацій стану моделі .

При дослідженні впливу роду ґрунту на значення модуля пружності підрейкової основи розглядали ґрунти з різними модулями деформації. Визначали зміни прогинів баласту, рейки, ґрунту, приведених мас рейко-шпальної решітки, баласту і земляного полотна, процентні співвідношення прогинів рейко-шпальної решітки, баласту і земляного полотна від модулів деформації ґрунтів при формуванні модуля пружності підрейкової основи колії.

Встановлено що: зі збільшенням модулів деформації ґрунту прогини елементів колії зменшуються за криволінійною залежністю, як для колії, яка спирається на залізобетонні, так і на дерев'яні шпали. Для обох конструкцій колії характерні три зони змін прогинів рейок, баласту і земполотна в залежності від модулів деформації ґрунту. Перша зона при модулях деформації ґрунту (для колії на дерев'яних шпалах до 15 МПа, на залізобетонних до 20 МПа), на якій відбувається стрімке зменшення прогинів зазначених елементів колії. Друга зона з модулями деформації ґрунту (відповідно 15…90 МПа і 20…80 МПа), який відповідає плавне зниження прогинів розглянутих елементів колії. Третя зона (відповідно більше 90 МПа, і більше 80 МПа), де прогини елементів колії змінюються по лінійній залежності. Частка прогинів земполотна в сумарному прогині конструкції різна і залежить від характеристик шпал і модулів деформації ґрунтів. Але для колії на залізобетонних шпалах його частка в кілька разів (від 3 до 475 для рейко-шпальної решітки і від 3 до 19 для баласту) більше, ніж інших елементів. Для колії на дерев'яних шпалах його частка в 3…62 разів вище, ніж рейко-шпальної решітки, а частка баласту може бути як нижче в 3…21 разів, так і на кілько відсотків вище (до 17%), у залежності від роду ґрунту, що складає земполотно.

Приведені маси рейко-шпальної решітки для конструкції колії на залізобетонних шпалах у 2,3 рази більше, ніж на дерев'яних шпалах. Приведена маса ґрунту для конструкції колії на дерев'яних шпалах на 11…16% більше, ніж на залізобетонних шпалах. При модулі деформації ґрунту до 15 МПа, приведена маса баласту для конструкції колії на дерев'яних шпалах, менша ніж на колії, що спирається на залізобетонні шпали, а при модулі деформації ґрунту більш ніж 15 МПа _більша. Приведена маса колії для конструкції з залізобетонними шпалами на інтервалі до 25 МПа більше ніж з дерев'яними шпалами, а при модулях деформації ґрунту більш 25 МПа _менше. Для даних конструкцій колії при модулях деформації ґрунту до 40 МПа, що відповідає приблизно 40 МПа модуля пружності підрейкової основи колії, навантаження, рівна 25 т/вісь, сприймається за рахунок осадки ґрунтів земполотна. На інтервалі 40…50 МПа відбувається перерозподіл сприйняття навантаження. При модулях деформації ґрунту більш 50 МПа навантаження переробляється баластовим шаром. При зниженні навантаження на 3 т/вісь зменшуються приведені маси рейко-шпальної решітки на 5%, баласту на 4%, земполотна на 6%. При цьому інтервал перерозподілу сприйняття навантажень зрушується на 10 МПа, а перерозподіл сприйняття навантаження відбувається на інтервалі 50…60 МПа.

Зміна навантажень веде до пропорційної їм зміни прогинів елементів колії, але співвідношення прогинів елементів для конструкцій колії з однаковими фізичними елементами залишається незмінним.

На підставі даних, отриманих шляхом математичного моделювання, для базових конструкцій, які опираються на різні роди ґрунтів, були отримані діапазони значень модуля пружності підрейкової основи колії з кінцевими значеннями: мінімальним Umin і максимальним Umax (таблиця 1). Характеристики конструкцій колій описані вище.

Таблиця 1 _Модулі пружності підрейкової основи у вертикальній площині для базових конструкцій

Рід ґрунту | Значення модуля пружності, МПа

Пилувато-суглинисті | 31.3/35.5 | 13.8/19.7

Супісок, легкий суглинок | 40.7/49.1 | 15.5/23.3

Середній и тяжкий суглинок | 26.4/30.6 | 7.5/14.3

Глина легка | 31.6/35.8 | 7.4/9.6

Глина середня й тяжка | 57.7/69.6 | 12.7/18.9

Примітка: чисельник – для колії на дерев'яних шпалах, знаменник – залізобетонних.

Вплив характеристик баластового шару проводили за двома напрямками: досліджували вплив роду і товщина баласту. У результаті досліджень встановлено, що:

розкид характеристик роду баластового шару спричинить за собою зміну прогинів рейок при щебені на 3%, галечно-гравійно-піщаному баласті _9%, гальковому чи гравійному _3%, черепашковому _27%; а зміна модулів пружності, у тій же послідовності відповідно на 4%, 12%, 3%, 14%. Заміна щебеневого баластового шару галечно-гравійно-піщаним змінить прогини рейки на 15%, а модуль пружності на 12%; гальковим чи гравійної відповідно на 6% і 7%; черепашковим відповідно на 148% і 233%. Таким чином, підтверджено вплив роду баласту на формування значень модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині.

На основі розрахунків, проведених по дослідженню впливу товщини баласту на модуль пружності, можна зробити висновок, що зміна товщини баластового шару від 25 см до 40 см, істотно, (до 21%) впливає на модуль пружності. Крім того, зміна товщини баластового шару впливає на зміну напружень на контакті шпали з баластовим шаром (до 24%) і на основній площадці земполотна (до 18%) звідки випливає висновок про необхідність урахування даного фактора при визначенні значення модуля пружності підрейкової основи колії.

Врахування типу й епюри шпал підтверджено експериментальними перевірками, тому питання зводиться до оцінки зазначених факторів на величину модуля пружності підрейкової основи колії.

За результатами досліджень можна зробити такі висновки.

Вплив типу шпал на значення модуля пружності колії зрозумілий: так, модуль пружності на шпалах типу IA відрізняється від значень для колії на шпалах типу IIA і IIIA відповідно на 2…7% і на 7…10% у залежності від роду ґрунту. Навантаження, передане різними типами шпал на баласт, розподіляється, викликаючи зміну напружень на контакті шпал і баласту, до 62% а на площадці земполотна до 36%. Таким чином, підтверджено, що при визначенні значень модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині необхідно враховувати вплив типу шпал.

Вплив епюри шпал на значення модуля пружності підрейкової основи незначний. Тому вплив даного фактора на значення модуля пружності колії у вертикальній площині доцільно об'єднати з впливом типу шпал.

В існуючій методиці не враховували вплив жорсткості скріплення на величини модулів пружності підрейкової основи колії. Вплив зміни стану прокладок, різних поєднань прокладок на розкид значень модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині були враховані при визначенні модулів пружності в залежності від типу шпал і роду ґрунту.

Визначення впливу зазначених вище факторів на формування модуля пружності підрейкової основи проводили на підставі порівняння результатів, отриманих при розмаїтті поєднань елементів і їхнього стану в конструкції колії, з результатами, отриманими для базових конструкцій. За допомогою коефіцієнтів , отриманих за результатами досліджень, оцінено вплив типу шпал, епюри, типу скріплень на формування значень модуля пружності, за допомогою коефіцієнтів (таблиця 2) _рід і товщину баласту . Коефіцієнти, приведені в таблиці 2, дають можливість говорити про кількісний вплив того чи іншого фактора на значення модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині.

Таблиця 2 _Значення коефіцієнтів та до базових модулів пружності підрейкової основи

Характеристика підрейкової основи | Характеристика підрейкової основи

Шпали | IА, IБ, 2000 | 1.02 | Шпали з/б | 1840, КБ | 1

IА, IБ, 1840 | 1 | 1840, КПП, ПРП-2.3 | 1.3

IА, IБ, 1600 | 0.98 | 1840, КПП, ПРП-2.1 | 1.07

IIА, IIБ, 2000 | 0.98 | 1600, КБ | 0.98

IIА, IIБ, 1840 | 0.97 | 1600, КПП, ПРП-2.1 | 1.05

IIА, IIБ, 1600 | 0.94 | Рід баласту | при товщині баласту, .

IIIА, IIIБ, 2000 | 0.95 | 25 см | 30 см | 35 см | 40 см

IIIА, IIIБ, 1840 | 0.94 | Щебінь | 0.8 | 0.82 | 0.87 | 1

IIIА, IIIБ, 1600 | 0.93 | Гравійний | 0.6 | 0.61 | 0.65 | 0.74

з/б, 1600, КПП, ПРП-2.3 | 1.27 | Гравійно-піщаний | 0.42 | 0.43 | 0.45 | 0.52

У п'ятому розділі висвітлено питання використання розробленої моделі в практичних задачах.

Методика визначення значень модуля пружності підрейкової основи залізничної колії у вертикальній площині.

Кожній конструкції колії відповідає діапазон значень модуля пружності , викликаний розкидом значень параметрів і стану елементів колії. Модулі пружності для базових конструкцій при різних ґрунтах вважаємо основними (таблиця 1), а облік зміни конструкції колії запропоновано здійснювати за рахунок коефіцієнтів. За допомогою коефіцієнтів враховуємо тип шпал, епюру, тип скріплень, (таблиця 2) _рід і товщину баласту . Розрахункове значення модулів пружності підрейкової основи залізничної колії визначається за формулами:

При застосуванні запропонованої методики в існуючій методиці розрахунку колії на міцність визначення коефіцієнтів відносної жорсткості підрейкової основи і рейки проводять із застосуванням двох значень модуля пружності. В розрахунках максимального еквівалентного навантаження для визначення напружень у рейках від вигину, крутіння і прогинів та згинального моменту у рейках від дії еквівалентного навантаження застосовують , а для максимального навантаження на шпалу _. Визначення максимального еквівалентного навантаження для розрахунків прогинів рейок при обчисленні максимального динамічного навантаження від колеса на рейку проводять із застосуванням , а ординати лінії впливу прогинів рейки в перетинах колії, розташованих під колісними навантаженнями від осей екіпажа _. При визначенні максимального еквівалентного навантаження для розрахунків напружень і сил в елементах підрейкової основи застосовують тільки . Максимальні напруження в елементах верхньої будови колії визначаються за відомими залежностями. Запропонована методика була апробована в описаному у третьому розділі експерименті.

Для визначення середньоквадратичного відхилення динамічного навантаження колеса на рейку, обумовленої силами інерції надресорних частин унаслідок безперервних нерівностей на поверхні катання SННК, спочатку була запропонована розрахункова формула М.Ф. Вериго. Потім, з урахуванням запропонованого Г.М. Шахунянцем виразу для максимального значення динамічного коефіцієнта формула придбала існуючий на сьогоднішній момент вигляд. Розв’язуючи співвідношення, яке дозволяє використання спершу запропонованої формули, маємо, що жорсткість менш 33000 кГ/см відповідає колії для рейок Р75 – при U ? 12,5 МПа, Р65 – при U ? 13,5 МПа, Р60 – при U ? ,2 МПа, Р50 – при U ? ,3 МПа. Відповідно до запропонованих рекомендацій з використання у формулі коефіцієнта 0 і з огляду на використання в розрахунках відкоригованих значень модулів пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині, запропоноване визначення SННК проводити за наступними залежностями:

де коефіцієнти, що характеризують ступінь нерівномірності утворення прокату поверхні кочення коліс вагонів, електровозів і тепловозів К1 = 1,63·10-5, К0 = 1,125·10-6;

q – непідресорена вага, що приходиться на одне колесо, кН;

d – діаметр колеса, м, – м-1.

На сьогодні умови експлуатації залізниць змінилися, тому існує необхідність у перерахунку коефіцієнтів 0 (враховуючого відношення надресорної маси колеса до суми надресорної маси колеса і приведеної до контакту колеса і рейки маси колії) і 1 (враховуючого співвідношення коефіцієнтів 0 для колії з залізобетонними і дерев'яними шпалами) як відповідно до змін, зв'язаних із уведенням запропонованої методики, так і з урахуванням основних конструкцій верхньої будови колії. Для вище зазначених конструкцій колії було проведено розрахунки за допомогою методу кінцевих елементів і за викладеною М.Ф. Вериго і С.С. Крепкогорським методикою розрахунку були визначені значення зазначених коефіцієнтів. Результати розрахунків приведені в таблиці 3. Крім наведених значень за розробленим алгоритмом можна отримати значення коефіцієнтів 0 і 1 для всіх одиниць рухомого складу.

Таблиця 3 _Значення коефіцієнтів 0 та 1 у залежності від роду ґрунту для ЧС-8

Рід ґрунту | 0 | 1 | Рід ґрунту | 0 | 1

Пилувато-суглинисті | 0.278/0.276 | 0.99 | Глина легка | 0.243/0.23 | 0.94

Супісок, легкий суглинок | 0.3/0.275 | 0.92 | Глина середня | 0.39/0.319 | 0.79

Суглинок середній, тяжкий | 0.253/0.224 | 0.89 | Глина тяжка | 0.377/0.37 | 0.97

Примітка: чисельник – для колії на дерев'яних шпалах, знаменник – залізобетонних.

У процесі експлуатації з'являються ділянки колії, конструкція яких відрізняється від типової. Маються на увазі такі ділянки, де з'являється так званий підбаластний шар, тобто шар забрудненого ущільненого баласту, верхня поверхня якого повторює верхню поверхню площадки земполотна. Товщина даного шару коливається в межах 50 см. При наявності щебеневого підбаластного шару змінюється загальний модуль пружності підрейкової основи. Якщо зазначений шар вже існує, як наслідок проведених ремонтів, то користуючись коефіцієнтами, наведеними для слабкого баласту у п’ятому розділі, можна розрахувати модуль пружності підрейкової основи колії. При товщині шару більш 30 см, конструкцію колії можна вважати мало деформованою.

Деформативність колії _виникнення пружних деформацій у навантаженій конструкції колії, викликаних як пружними змінами форми або розмірів елементів конструкції колії чи їхніх частин, так і обумовлені цими змінами переміщення окремих точок конструкції колії.

Головним параметром деформативності колії є модуль пружності підрейкової основи колії. При розгляді причинно-наслідкового зв'язку для оцінки технічного ефекту нормування жорсткості колії одержуємо наступну картину. Чим менше значення модуля пружності, тим більше прогин, а чим більше прогин, тим більше амплітудно-частотні коливання, які швидше розладнує колію. Крім того, на відповідній стадії виникає наступна залежність: чим більше модуль пружності підрейкової основи колії, тим жорсткіше колія, тим більша інтенсивність відмов елементів колії, гірше комфортність їзди, менш рентабельні вкладення на посилюючий шар. Таким чином, виникає необхідність у нормуванні значень модуля пружності.

Як підкреслювалося при аналізі впливу модулів деформації ґрунту на значення модулів пружності підрейкової основи колії (у четвертому розділі), в зоні значень модуля деформації ґрунту до 20 МПа зміна значень прогинів елементів колії стрімка. Даний діапазон не випадковий, так у будівництві ґрунти основи вважаються однорідними, тобто мало мінливі у відношенні стисливості, якщо МПа. При такому відношенні модулів деформації ґрунтів осідання в окремих точках мало розрізняються за величиною, а можливість видавлювання ґрунтів зведена до мінімуму, що запобігає утворенню хвороб земляного полотна. Використовуючи будівельні норми, можна встановити обмеження за величиною модуля пружності земполотна, а саме, щоб ґрунти, що складають його, повинні мати значення модуля деформації не нижче 20 МПа. При прийняті цієї умови, з урахуванням залежності між силами, що діють на рейку, і її деформаціями, можна стверджувати, що кожній конструкції колії буде відповідати своє мінімально-допустиме значення модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині Uminдоп. Таким чином, кожній конструкції колії при впливі навантаження на рейку Р будуть відповідати свої максимально-допустимі значення прогинів рейок ymаxдоп. Прогини рейок залежать як від деформацій елементів конструкції, так і від наявності люфтів між ними. Максимальний сумарний прогин люфтів ymaxлюфт, установлюваний для кожної конструкції колії з урахуванням геометричних норм і допусків складових її елементів, може служити інтегральною оцінкою утримання верхньої будови колії. А сумарний прогин без люфтів y може бути інтегральною оцінкою стану земполотна. Таким чином, можна контролювати деформативність колії. Для прийнятих за базові конструкцій колії мінімально-допустимі значення модулів пружності у вертикальній площині при Егр20 МПа, за розрахунками за допомогою МКЕ: для дерев'яних шпал Uminдоп ,3 МПа, а для залізобетонних шпал Uminдоп ,4 МПа.

Граничні значення модулів пружності UIminдоп, UIImaxдоп для інших конструкцій, використовуючи запропоновану методику по визначенню модуля пружності підрейкової основи колії у вертикальній площині, можна знайти підставляючи у (3) замість _Uminдоп, а замість _Umaxдоп. Значення максимальних прогинів розраховується як

Оцінювати деформативність колії можна таким способом.

1.

2.

3.

a)