Київський університет економіки і технологій транспорту

Талавіра Геннадій Миколайович

УДК 625.031; 625.032.4

Особливості роботи залізничної колії на перехідних ділянках

примикання до мостів

05.22.06 – залізнична колія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському університеті економіки технологій транспорту Міністерства транспорту та зв`язку України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Даніленко Едуард Іванович,

Київський університет економіки і технологій транспорту, кафедра “Реконструкції та експлуатації залізниць і споруд”

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Косарчук Валерій Володимирович

Київський університет економіки і технологій транспорту, кафедра “Теоретичної та прикладної механіки”

кандидат технічних наук, доцент

Шраменко Володимир Павлович

Українська Державна академія залізничного

транспорту, завідуючий кафедрою “Колія та колійне господарство”

Провідна установа - Дніпропетровський національний університет

залізничного транспорту імені академіка В.Лазаряна, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “28” вересня 2007р. о _1400 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.820.01 в Київському університеті економіки і технологій транспорту за адресою: 03049, м. Київ, вул. Лукашевича,19

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського університету економіки і технологій транспорту за адресою: 03049, м. Київ, вул. Лукашевича,19

Автореферат розісланий “17” липня 2007р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент М.І.Карпов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ Однією з актуальних задач залізничного транспорту є підвищення експлуатаційної надійності колії та безпеки руху в умовах організації руху поїздів з встановленими та підвищеними швидкостями.

Сучасні умови експлуатації залізниць України потребують підвищення експлуатаційної надійності залізничної колії, підвищення її стабільності на всій довжині залізниць, в тому числі і на ділянках переходу до мостів. Ділянки залізниць перед мостами та залізничними шляхопроводами є несприятливими зонами для взаємодії рухомого складу і колії, так як на цих ділянках в процесі експлуатації утворюються динамічні геометричні нерівності, які є наслідком різкої зміни конструкції та пружності колії.

На ділянках колії з геометричними нерівностями посилюється вплив рухомого складу на колію, що приводить до підвищених розладів конструкції верхньої будови колії, та викликає в низці випадків необхідність обмеження швидкостей руху, та знижує пропускну спроможність залізничної лінії, а також потребує додаткових витрат на виправлення колії.

На залізницях України в даний час експлуатується більш 80000 штучних споруд, серед яких 7732 моста, у тому числі 24 позакласних і 288 великих. В основному більшість з них було побудовано 50 років тому. У даний період більш 10% від загальної кількості мостів це дефектні і слабкі, котрі з труднощами переробляють нормативне залізничне навантаження класу С14.

Створення експлуатаційних нерівностей в зонах перед мостами та залізничними шляхопроводами несприятливо впливає на експлуатаційну надійність і безпеку перевізного процесу в цілому на залізниці.

Актуальність теми. Поїзне навантаження, що впливає на колію на мостах, відноситься до категорії яскраво виражених динамічних навантажень, унаслідок чого вірогідність розрахунків колії на мостах багато в чому визначається тим, наскільки повно і правильно враховані в них динамічні явища. Динамічні процеси, що супроводжують рух поїзда на підходах до мосту, у місцях переходу конструкції земляного полотна та верхньої будови звичайної колії з однією жорсткістю у жорсткість іншу (міст) висувають ряд специфічних вимог до залізничної колії на мостах. Вказані динамічні процеси впливають на конструкцію земляних споруд підходів і конструкцію самих прогонових споруд.

Характерною рисою безбаластної колії на штучній споруді є відсутність залишкових деформацій колії, в той час як осідання колії на підходах можуть досягати значних величин. Поточне утримання колії не може зупинити процес накопичення залишкових деформацій колії на баласті, воно лише ліквідує окремі відступи від їх рівномірного накопичення. Проте поблизу безбаластної колії нерівномірність залишкових деформацій конструктивно обумовлена, але існуючі міри поточного утримання, що застосовуються для підтримання колії в технічно справному стані, виявляються недостатніми для забезпечення однорідності колії на цих ділянках. В результаті чого в зоні переходу до безбаластної колії взаємодія рухомого складу і колії при проході першого через нерівність набуває ударного характеру через різку зміну величини пружної деформації рейки під вертикальним навантаженням. Така взаємодія поступово призводить до розладу підрейкової основи на баластній колії і до пошкодження самої штучної споруди. Ці явища знижують ефективність застосування безбаластних конструкцій колії. Таким чином, вивчення роботи залізничної колії на перехідних ділянках примикання до мостів з метою визначення та розробки пропозицій щодо зменшення динамічних нерівностей і силової взаємодії рухомого складу і колії на цих ділянках є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Автор дисертації приймав участь у науково-дослідних роботах Київського університету економіки і технологій транспорту, які виконувались за завданням Укрзалізниці в напрямку модернізації залізничної колії, і в напрямках підвищення швидкостей руху поїздів на існуючих коліях залізниць України, які входять до міжнародних транспортних коридорів Європа – Азія. Всі ці роботи мали безпосередній зв`язок, або були частково пов`язані з темою дисертації. За завданням Головного управління колійного господарства Укрзалізниці були виконані такі науково-дослідні роботи: “Розробка технічних вимог і норм утримання залізничної колії і колійних конструкцій у зв`язку з впровадженням швидкостей руху до 160-200 км/год на існуючих лініях України, які входять, до міжнародної магістралі Європа-Азія”, Київ, КІЗТ, 1997.; “Техніко-економічне обґрунтування заходів для підвищення швидкостей руху поїздів на дільниці міжнародного транспортного коридору Підволочиськ – Львів – Мостиська Львівської залізниці”, Київ, КУЕТТ, 2001р.; “Дослідження поздовжньої стійкості колії на залізобетонних шпалах при різних типах скріплень”, Київ, КУЕТТ, 2002р.; “Розробка та обґрунтування технічних параметрів та характеристик рейкових скріплень типу КПП для залізобетонних шпал” , Київ, КУЕТТ, 2003р.; “Проведення досліджень з розробки та обґрунтування застосування нових типів і конструкцій рейко-шпальної решітки з залізобетонними шпалами з використанням ресурсозберігаючих технологій”, Київ, КУЕТТ, 2006р.

Тема дисертації відповідає загальній галузевій програмі модернізації колійного господарства і підвищення швидкостей руху поїздів на головних напрямках Міжнародних транспортних коридорів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є обґрунтування на основі теоретичних і експериментальних досліджень необхідності улаштування перехідних конструкцій колії на підходах до штучних споруд, на яких застосовується безбаластна колія, а також виявлення недостатньої ефективності існуючих конструкцій верхньої будови колії на підходах до безбаластної конструкції колії на мостах, що застосовуються на вітчизняних залізницях на теперішній час.

Реалізація цієї мети потребує розв`язання таких завдань:

- проведення аналізу конструкцій перехідних ділянок на підходах до мостів, які застосовуються на вітчизняних та закордонних залізницях;

- знаходження головних причин утворення силової та геометричної нерівності на підходах до штучних споруд з безбаластною конструкцією верхньої будови колії;

- визначення розрахункових параметрів вертикальної пружності підшпальної основи в зоні примикання колії до мостів;

- проведення натурних досліджень колії на передмостових ділянках в різних експлуатаційних умовах, з метою знаходження геометричної форми нерівності;

- розробки математичної моделі та математичного алгоритму для розрахунків величини додаткових динамічних навантажень, при русі рухомого складу по нерівностям;

- на основі виконаних досліджень надання рекомендацій щодо застосування існуючих конструкцій перехідних ділянок перед залізничними штучними спорудами на залізницях України.

Об`єкт досліджень – верхня будова колії на ділянках підходів до мостів і шляхопроводів.

Предмет досліджень – робота верхньої будови колії в зоні примикання до залізничних мостів та шляхопроводів при взаємодії з колесами рухомого складу.

Методи дослідження. В роботі використано комплексний метод досліджень, який включає аналітичну і експериментальну частину. Для аналітичних розрахунків застосовувався розрахунково-теоретичний метод визначення пружньодинамічних параметрів верхньої будови колії в зоні підходів до мостів та методи моделювання процесів взаємодії колії і рухомого складу з застосуванням математичної апроксимації на основі програмного продукту “МАPLE V”. Експериментальні дані отримані за допомогою геодезичних та тензометричних вимірювань. Обробка експериментальних даних проводилась за допомогою чисельних методів з використанням математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше на українських залізницях проведені теоретичні дослідження з визначення пружно-жорсткісних параметрів верхньої будови колії в передмостових зонах і встановлено явище зміни коефіцієнту пружного стискання баласту під шпалами в цих зонах.

2. Вирішена наукова задача з дослідження силової динамічної взаємодії між рухомим складом та колією, розроблена нова методика з визначення додаткових динамічних прогинів і додаткових динамічних навантажень, в зоні на нерівностей рейкових ниток на ділянках передмостових “ям”.

3. Вперше для українських залізниць, за допомогою експериментальних досліджень отримані форми натурних геометричних нерівностей на рейкових нитках в зоні передмостових ”ям”, для конкретних об’єктів „Укрзалізниці”.

4. При вивченні роботи залізничної колії на перехідних ділянках примикання до мостів, розроблені рекомендації, щодо введення спеціальних конструкції верхньої будови колії на цих ділянках, які позволять зменшити силову динаміку і величини динамічних напружень в елементах колії.

Обгрунтованність і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлена тим, що всі розроблені теоретичні рішення підтверджені експериментальними дослідженнями, а основні висновки і рекомендації одержали схвалення на наукових конференціях Київського університету економіки і технологій транспорту, Дніпропетровського національного технічного університету залізничного транспорту, Білоруського державного університету транспорту, а також на технічних засіданнях Головного управління колійного господарства “Укрзалізниці”.

Практичне значення отриманих результатів.

В результаті досліджень визначені та отримані величини порожнин під шпалами на ділянках перед мостами та залізничними шляхопроводами, форми, ухили та довжини натурних нерівностей на рівні постелі шпал.

В дисертації надана практична оцінка сучасних конструктивних рішень будови колії на ділянках підходів до мостів і розроблені рекомендації щодо удосконалення конструкцій будови колії на цих ділянках.

Розроблена в дисертації методика розрахунків динамічних сил взаємодії в зоні перехідних ділянок на підходах до мостів може бути використана при розрахунках підвищених швидкостей руху на напрямках міжнародних транспортних коридорів.

Отримані в дисертації результати були використані в науково-дослідних і навчально-методичних розробках кафедри “Реконструкція та експлуатація залізниць і споруд” Київського університету економіки і технологій транспорту.

Особистий внесок здобувача:

Автором особисто визначені характер і геометричні розміри нерівностей колії перед залізничними мостами, розроблена математична модель за допомогою якої досліджувався процес взаємодії колії і різних типів рухомого складу при русі по нерівностям перед мостами, складено алгоритм і програму розрахунків, за допомогою якої вираховувалось динамічне додаткове навантаження на колію для різних типів рухомого складу при проходженні нерівності.

У співавторстві виконані експериментальні дослідження величин буксових прискорень електровозу ДС-3 при проходженні ділянок перед мостами, теоретичні дослідження зміни коефіцієнту пружного стискання баласту під шпалою від особливостей конструкції підшпальної основи, розробка технічних вимог застосування перехідних ділянок на залізницях України при впровадженні швидкісного руху поїздів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися на Міжнародній науково-практичній конференції з проблем та перспектив розвитку транспортних систем та будівельного комплексу (респ. Білорусь, Гомель, жовтень 2003р.); на 1-ій та 2-ій Міжнародних науково-практичних конференціях з проблем розвитку та перспектив розвитку транспортних систем (Київ, листопад 2003р., листопад 2004р.). Повністю дисертаційна робота доповідалась і обговорювалась на міжкафедральному семінарі кафедр “Реконструкція та експлуатація залізниць і споруд” і “Теоретична та прикладна механіка” Київського університету економіки і технологій транспорту (м. Київ, грудень 2006р.), на кафедральному семінарі кафедри “Колія та колійне господарство” Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В.Лазаряна (м. Дніпропетровськ, 2007р.)

Публікації Основний зміст дисертації опублікований у 9 друкованих працях і 5-ти звітах з НДР кафедри “Реконструкція та експлуатація залізниць і споруд” Київського університету економіки і технологій транспорту. З 9-и наукових статей – 8 видано в збірниках наукових праць затверджених ВАК України, 4 роботи є тезами наукових міжнародних конференцій.

Структура і обсяг роботи Дисертація складається зі вступу, п`яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і 4-ох додатків. Повний обсяг складає 239 сторінок друкованого тексту. В тому числі: 62 рисунка на 45 сторінках, 4 таблиці на 4 сторінках, список літератури з 135 найменувань на 12 сторінках, та 4 -ох додатків на 40 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі проаналізовано сучасний стан штучних споруд на залізницях України, сформульовано мету і основні задачі досліджень дисертаційної роботи, а також сформульована наукова новизна і практичне значення отриманих результатів

У першому розділі розкрито наукову проблему, яка існує у зв`язку з утворенням геометричних нерівностей на рейкових нитках на ділянках примикання звичайної конструкції колії до штучних споруд, а також приведений огляд робіт вчених і фахівців країн СНД та інших країн в області динаміки руху залізничного рухомого складу на штучних спорудах і на підходах до них, розглянуті існуючі та перспективні конструкції перехідних ділянок.

Перші спроби визначення динамічного впливу рухомого складу на залізничну колію на мостах були виконані ще в кінці XIX та на початку ХХ століття видатними російськими вченими: академіком А.Н. Криловим і професором С.П. Тимошенко. В колишньому СРСР вже у перші роки існування держави проводилися дослідження динамічного впливу залізничних навантажень на штучні споруди. У складі учасників цих досліджень особливо треба виділити таких відомих вчених, як професори Н.М. Бєляєв, С.А. Бернштейн, Е.Е. Гибшман, С.А. Ильясевич, В.Н. Качурин, Г.А. Миколаїв, Е.О. Патон, И.М. Рабінович, Н.С. Стрєлецький.

Характерною рисою досліджень, здійснених у 50-80 роки ХХ століття, з'явилось прагнення розробити розрахункові методи визначення динамічних характеристик інженерних споруд під поїзним навантаженням для мостів різних систем, і їхньої реакції на динамічні впливи. Цьому напрямку присвячені праці вчених – докторів і кандидатів наук: Н.Н. Безухова, В.В. Болотіна, Н.Г. Бондаря, Т.К. Тольста, К.С. Завриєва, Ц.И. Казея, С.М. Конашенко, Ю.Г. Козьмина, Б.Ф. Лесохіна, С.С. Норєйко, Я.Г. Пановко, А.А. Петропавловського, З.М. Ройтбурда, А.Ф. Смирнова, Н.К. Снітко, В.Т. Тарасенко, Т.Г. Яковлєвої, Л. Фріби.

Визначенням розрахункових пружних та жорсткостних характеристик для різних конструкцій рейкової колії, від яких безпосередньо залежить робота колії в цілому та окремих її елементів під впливом поїзного навантаження, займались в свій час вітчизняні вчені, доктори та кандидати наук: Г.М. Шахунянц, М.А. Фрішман, В.Ф. Яковлєв, Ю.Д. Волошко, В.Д. Веріго, А.Я. Коган, Г.Г. Желнін Е.І. Даніленко, В.В. Рибкін, І.І. Семенов, В.І. Полєтаєв , А.М. Орловський, В.В. Говоруха , Г.К. Жилін, А.П. Татуревич , М.І. Уманов, та інші.

Одним з перших вчених в колишньому СРСР, хто більш глибоко проводив дослідження роботи колії на ділянках “передмостових ям”, став кандидат технічних наук Ю.Г. Козьмін, який в подальшому захистив докторську дисертацію Вченим визначені причини появи передмостових нерівностей на підходах до мостів, їх характер та властивості, дослідним шляхом визначена величина сил, які діють на елементи верхньої будови колії в вищезгаданих зонах.

Пізніше наукове направлення вивчення роботи елементів верхньої будови колії на ділянках підходів колії до мостів почали розробляти послідовники Ю.Г. Козьміна – доктор технічних наук С.І. Клінов та кандидат технічних наук В.Ю.Поляков. У власних наукових працях та монографіях вчені більш широко розглянули негативну дію “передмостових ям” на елементи непідресорених частин рухомого складу та елементи верхньої будови колії. С.І. Кліновим першим було запропонована конструкція перехідної колії перед порталами тунелів. Робота рейок на мостах із плитами мостового полотна розглянута в ряді робіт Н.А. Бєляєва, С.І. Клінова, К.Д. Бєлих, П.П. Гонтаровського, Ю.Д.Волошко. В роботах визначений ступінь включення рейки в спільну роботу з залізобетонною плитою і металевою балкою в комплексі. З закордонних вчених найбільш відомим є розробник конструкцій перехідних ділянок перед мостами професор А.Хеттлер з Германії, крім нього розробкою питання поступового збільшення жорсткості колії в різний час займалися його співвітчизники - Л.Фендрих та Г. Крейг.

Аналіз виконаних досліджень показує, що верхня будова колії на підходах до штучних споруд працює в складних умовах, і може бути причиною зниження надійності роботи залізничної колії та зменшення швидкості руху на цих ділянках.

На теперішній час, коли на залізницях України з`явилися ділянки з підвищеними швидкостями руху пасажирських поїздів, а також у зв`язку з тим, що підбивка шпал в перехідних зонах до штучних споруд є досить складною операцією, яка не дозволяє в повній мірі використовувати важку колійну техніку, проблема “передмостових ям” стає досить актуальною і дуже гострою.

У другому розділі розроблені основні положення методики визначення розрахункових параметрів вертикальної пружності підшпальної основи в зоні примикання колії до мостів

Розрахункова модель для визначення параметрів вертикальної пружності підшпальної основи в зоні примикання колії до мостів прийнята на основі “Правил розрахунків залізничної колії на міцність і стійкість” ЦП-0117. Відповідно до прийнятої розрахункової моделі колії кожна рейкова нитка по всій довжині опирається на окремі пружні опори, які складаються з підкладки з прокладками, шпали, баласту й земляного полотна.

Окремі пружні опори, тобто шпали, в свою чергу розглядаються як короткі балки, що лежать на суцільно пружній основі (баласт + земляне полотно), та знаходяться під впливом одиничних сил (Q), що передаються на них через підкладки.

Як відомо з “Правил….” ЦП-0117 при багатошаровій пружній основі сумарна жорсткість точкової опори визначається за формулою:

, (1)

де - складова жорсткості, яка залежить від пружних властивостей баластного шару і земляного полотна і враховує форму вигину баласту під шпалою;

- складова жорсткості, яка залежить від пружних властивостей шпальної основи (або іншої конструкції, що її заміняє).

Рис.1. Розрахункова схема роботи шпали як балки на пружній основі

( рейки 3, 4 слід розглядати тільки при чотирьохнитковій рейковій колії).

Рис.2. Епюра прогинів шпали під навантаженням:

а) для залізобетонної шпали; б) для дерев’яної шпали.

Прогини точкових опор (шпал) під дією вертикальних колісних навантажень від рухомого складу прямопропорційно залежать від вертикальної жорсткості точкової опори. Якщо прогини шпал за довжиною рейкової нитки різні – то можна зробити висновок, що це визначає зміну жорсткості точкових опор.

При незмінній конструкції рейко-шпальної решітки на протязі усієї ділянки колії на підході до мосту, другий додаток рівняння (1) залишається незмінним за величиною, та сумарна жорсткість точкової опори може змінюватись тільки за рахунок жорсткості Для рішення даної задачі необхідно визначити складову (1), вона визначається з розгляду умов рівноваги шпали, яка лежить на суцільній пружній основі та знаходиться під впливом одиничних сил, що передаються на неї через кожну підкладку (рис. 1):

, (2)

, (3)

З формули (3), розмір пружної просадки будь якої шпали в підрейковому перерізі можна визначити з виразу:

, (4)

Таким чином на основі формули (4) можна зробити висновок, що при навантаженні шпали вертикальними силами Q, від рухомого складу, розмір пружної просадки під шпалами, залежить від величини коефіцієнту пружного стискання баласту під шпалою Сб та ефективної опорної площі основи шпали F=б•a•b. В тому випадку коли величини просадок шпал, послідовно розташованих на довжині рейки, будуть різними при практично незмінних значеннях навантаження 2Q та геометричних розмірах підошви шпали a і b та коефіцієнту вигину шпал ? це свідчить про зміну величини Сб, і саме таке явище просліджується на ділянках колії на підходах до мостів. Тобто коефіцієнт пружного стискання баласту Сб на ділянках підходів до мостів – величина не постійна, це визначає різні величини просадок шпал. Використовуючи розрахунковими співвідношеннями (3) та (4), підбираючи необхідні значення Сб і оперуючи величинами просадок шпал, визначеними експериментальним шляхом, на різних зонах ділянки підходу до мосту, можна обчислити натурне значення коефіцієнту Сб, а потім зробити висновки про необхідні заходи підсилення конструкції колії на ділянках підходів до мостів відносно ділянок з звичайною типовою конструкцією колії (наприклад за рахунок збільшення товщини баласту та ін). Ці заходи повинні вирівняти пружні осадки шпал на всієї протяжності колії.

За результатами аналітичних досліджень можна зробити висновок, що збільшення остаточних деформацій в N – разів на ділянці колії при підході до мостів при порівнянні з базовою конструкцією колії, можна з деяким наближенням кваліфікувати, як дію таких же збільшених в N – разів пружних деформацій. Для проведення розрахунків за базову конструкцію верхньої будови колії була прийнята колія з наступними параметрами та умовами роботи: шпали - залізобетонні з епюрою 1840 шт/км; рейки - Р65, термозміцненні, знос 9 мм; баласт – щебінь, товщина під шпалою 55 см; скріплення КБ-65; літо; категорія колії ІІІ. Результати розрахунків параметрів колії по характерних точках нерівності №1 наведені табл. 1.

В результаті виконаних досліджень отримані наступні результати:

1) Запропонована методика аналітичних розрахунків, яка дозволяє оцінити зменшення пружних параметрів колії при наявності остаточних деформацій під шпалами на ділянках підходів до мостів та шляхопроводів, а в зв`язку з цим зміну у величинах напружень під шпалою та на основній площадці земляного полотна.

Таблиця1

Розрахунок параметрів верхньої будови колії при проходженні рухомим складом передмостової нерівності №1

Параметр | Базова колія | Шпала №2 нерівності | Шпала №7 нерівності

Коефіцієнт пружного стискання баласту під шпалою

СБ, кгс/см3 | 20 | 15,3 | 9,52

Величина остаточних деформацій баласту під шпалою (натурні) Zпор, см | 1,0 | 1,3 | 2,1

Пружна просадка баласту під шпалою (розрахункова) Zпш, см | 0,09 | 0,113 | 0,18

Напруження під шпалою , кгс/см2 | 0,18 | 0,173 | 0,171

Величина пружної просадки ґрунту основної площадки земляного полотна , см | 0,045 | 0,056 | 0,09

Модуль пружності під шпальної основи , кгс/см2 | 550 | 420,75 | 261,8

Напруження на основній площадці земляного полотна , кгс/см2 | 0,0055 | 0,0062 | 0,0069

2) При зменшенні коефіцієнту пружного стискання баласту під шпалою Сб на 23% і 52%; величина пружних осадок під шпалою збільшилась відповідно на 20% і 50%, величина пружної просадки ґрунту основної площадки земляного полотна на 19,6% і 50% (тобто практично пропорційно), а напруження на основній площадці збільшились відповідно на 11,2% та 20,2%, що в 2 рази менше.

3) Підбираючи необхідні значення коефіцієнту пружного стискання баласту під шпалою Сб можливо призначити необхідні конструктивні заходи підсилення конструкції колії на підходах до мостів, тобто зміни характеристик підшпальної основи повинні вирівняти пружні осадки шпал по всій протяжності колії.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень:

- по визначенню величин залишкових деформацій між нижньою постіллю шпал і баластним ложем;

- по визначенню величин динамічних вертикальних сил, діючих від коліс поїзду на рейку, за методикою виміру буксових прискорень.

Вимірювання підшпальних порожнин виконувалось шляхом відокремлення скріплень шпал від рейки, під дією власної ваги шпала переміщувалась в вертикальній площині на величину підшпальної порожнини в зоні передмостової нерівності. Заміри глибини порожнин під шпалою виконувались за допомогою високоточного нівеліра Н1, горизонт якого не змінювався під час експерименту. Величина порожнини (Д) на кожній шпалі визначалась по кожній рейковій нитці, і потім підраховувалось середнє значення різниці відміток.

Кількість шпал, які підлягли обстеженню на ділянках підходів до мостів, приймалося рівним 15-30, а на штучній споруді – 1-3 опори баластної колії, або дві плити безбаластного мостового полотна, (слід відмітити, що реальні величини порожнин при динамічних навантаженнях можуть виявитися декілька вище отриманих за даною методикою, так як нівелювання виконувалось при відсутності поїзного навантаження).

В результаті натурних досліджень ділянок на підходах до мостів з різною довжиною та різним мостовим полотном, які знаходиться в приблизно рівних умовах експлуатації, були виявленні: довжина розповсюдження і величина максимальних значень порожнин під шпалами, результати представлені в табл.3. За результатами геодезичного вимірювання для кожної з досліджених нерівностей була винайдена форма передмостових нерівностей по довжині, порядком розташування і глибині порожнин під шпалами (рис.3). Результати експериментальних натурних вимірів підтвердженні матеріалами досліджень ділянок передмостових “ям” колієвимірювальною станцією КС-№054, що наведені в основному тексті дисертації.

Також в розділі наведені результати експериментальних досліджень знаходження додаткових вертикальних навантажень від коліс поїзду в зонах передмостових нерівностей. Дослідження виконані за допомогою тензометричної лабораторії ДНУЗТу за участю автора. Вагон-лабораторія була включена в склад дослідного поїзду, який був сформований для ходових випробувань електровозу ДС-3 на ділянці Березань – Баришівка Південно-Західної залізниці. В процесі експерименту отримані величини буксових прискорень коліс електровозу ДС-3 при походженні передмостових нерівностей при різних швидкостях руху дослідного поїзду. Значення вертикальних навантажень на рейку визначались по відомим фізичним співвідношенням, які визначають величину сили в залежності прискорення та маси. Отримані результати фрагментарно представлені в табл.2 та більш ретельно в тексті дисертації

Таблиця 2

Значення додаткового динамічного навантаження на рейку при проходженні

передмостових нерівностей електровозом ДС-3

Параметри нерівності | Нерівність № 1 | Нерівність № 2 | Нерівність № 3 | Нерівність № 4 | Довжина, м4,3 | 3,9 | 4,7 | 4,2 | Максимальне значення підшпальної порожнини, мм | 15 | 18 | 13 | 17 | Тип мостового полотна | БМП | БМП | Дерев`яні бруси | З/б шпали на щебеневому баласті | Довжина мосту, м | 78,0 | 78,9 | 62,3 | 65,96 | Частка, g м/с2 | 8,32 | 10,43 | 8,16 | 5,24 | Динам. навантаження, кН | 154 | 193 | 151 | 97 |

В результаті проведених експериментальних досліджень отримані наступні результати:

1) На усіх ділянках колії на підходах до мостів, що досліджуються, виявлені передмостові нерівності при стикуванні звичайної колії і мостового полотна. Це свідчить про неминучість ( або велику вірогідність) нерівностей при стикуванні традиційної конструкції колії з більш жорсткою конструкцією колії на мосту. Різка зміна вертикальної жорсткості при переході на безбаластну колію приводить до значних перевантажень елементів колії, які суттєво проявляються після визначеного періоду експлуатації при появі залишкових деформацій під шпалами (порожнин) на передмостових ділянках.

Таблиця3

Характерні нерівності перед залізничними мостами

№,

нерівностей | Довжина

нерівностей, м | Макс.величина порожнини

під шпалою, мм | Довжина мосту,

м

1 | 3,0 | 21 | 41

2 | 3,25 | 28 | 213

3 | 3,3 | 26 | 46

4 | 3,32 | 29 | 97

5 | 4,0 | 27 | 68

6 | 4,11 | 28 | 136

7 | 4,17 | 28 | 49

8 | 4,21 | 29 | 165

9 | 5,05 | 31 | 214

10 | 5,09 | 36 | 37

11 | 5,14 | 30 | 101

12 | 5,24 | 36 | 115

13 | 6,02 | 31 | 44

14 | 6,1 | 29 | 217

15 | 6,36 | 36 | 217

16 | 6,56 | 30 | 97

Рис.3. Значення люфтів під шпалами та форма геометричної нерівності перед мостом

2) При розгляді передмостових нерівностей, які мають довжину від 3,0 до 6,56м, виявлено, що їх геометрична форма має досить виражений “коритоподібний” характер з плавним відводом ухилу в сторону звичайної колії з непостійними за величиною перепадами по глибині під шпалами (максимальне значення – 36мм) та з різким збільшенням ухилу нерівності з боку заїзду на мостове полотно.

3) Найбільші показники додаткового навантаження від осі на рейку при проходженні електровозу ДС-3 (193 КН) були отримані на перехідній ділянці №2 при в`їзді на міст з безбаластним мостовим полотном (БМП);

4) Досить значні розміри порожнин під шпалами та різке збільшення ухилу нерівності перед заїздом на мостове полотно, приводять до перенавантаження перших рейкових опор мостового полотна.

У четвертому розділі виконані теоретичні розрахунки додаткових динамічних навантажень від коліс поїзду при русі різних типів вагонного рухомого складу через передмостові нерівності.

Для цього розроблена методика розрахунків, визначена математична модель взаємодії колії і рухомого складу, розроблений алгоритм розрахунків і виконані розрахунки для усіх нерівностей, геометричні параметри котрих отримані на експериментальних ділянках. Розрахункова модель представлена на рис.4.

Для розрахунків прийнята плоска розрахункова схема, в якій розглядається взаємодія першого та другого візків екіпажу в вертикальній площині рейкової нитки. В якості збуджуючого чинника в розрахунковій схемі приймаються геометричні параметри передмостової нерівності.

Розрахунки додаткових динамічних навантажень виконані для наступних одиниць рухомого складу: вагону-лабораторії (чотирьохвісного пасажирського вагону), чотирьохвісного напіввагону, чотирьохвісної цистерни.

Рис.4. Розрахункова модель взаємодії колії та рухомого складу при русі через передмостову нерівність

Диференційні рівняння коливального руху моделі вагону після приведення їх до рівнянь першого порядку можна представити у вигляді системи з 10-ти рівнянь:

Сили вертикальної взаємодії Рі, що входять в систему диференційних рівнянь (6), визначаються з наступних виразів:

(7)

Чисельний аналіз виконано за допомогою програмного продукту “Maple V”, та аналітичних розрахунків. В наведених рівняннях (6-7) прийняті наступні позначення: m1 – Ѕ маси кузова вагону; m2 – Ѕ маси візка; (Z1, Z3, Z4) – величини вертикальних та кутових (Z2, Z5) переміщень мас, їх перші (Z1t, Z2t, Z3t, Z4t, Z5t) та другі (Z 1t(t) Z 2t(t) Z 3t(t) Z 4t(t) Z 5t(t)) похідні ; cі та kі – відповідно жорсткості пружних зв`язків та коефіцієнти в’язкого тертя дисипативних зв`язків між елементами механічної системи; І1 – момент інерції половини кузова відносно осі, перпендикулярної повздовжній площині симетрії вагону; І2 – момент половини інерції візка відносно осі, перпендикулярної повздовжній площині симетрії вагона; 2l1 – відстань між точками впирання кузова на візки; 2l2 – відстань між осями коліс у візку.

Рішення задачі по визначенню динамічних сил взаємодії Рі виконувалось з застосуванням ПЕОМ за спеціально розробленою програмою з використанням розв`язання системи диференціальних рівнянь чисельним комбінованим методом Рунге-Кутта та при кінцевим виведенням результатів розрахунків у вигляді графіків розподілу динамічних сил по довжині нерівності.

Вихідні дані для розрахунків (параметри жорсткості та в`язкості мас колії та рухомого складу прийняті з раніш виконаних робіт по динамічній взаємодії (проф. Е.І.Даніленко, проф. С.І. Клінова та ін.). Приклади розрахунків динамічних сил взаємодії, які з`являються при проходженні передмостових нерівностей першим та другим колесом візка представлені на рис. 5а і 5б ( на прикладі нерівності №3 по табл.4)

Рис. 5а.Сила вертикальної взаємодії P3 Рис. 5б. Сила вертикальної взаємодії P4

при проході пасажирського при проході пасажирського

вагону по нерівності №3. вагону по нерівності №3.

В табл.4 наведені величини додаткових динамічних навантажень для усіх досліджених нерівностей від різних одиниць рухомого складу.

У п`ятому розділі представлені основні вимоги та практичні рекомендації по вдосконаленню конструкції верхньої будови колії в зонах передмостових “ям”:

Перехідна конструкція повинна забезпечувати безпечний пропуск поїздів з найбільшими встановленими швидкостями, тобто забезпечувати стан рейкової колії в межах встановлених норм і допусків, запобігати появі залишкових деформацій (порожнин) між нижнім ліжком шпали і баластом, а також запобігати руйнуванню підрейкових опор безбаластної колії. Вона повинна бути стабільною і надійною, повинна бути технологічною, допускати механізацію робот при зборці, розборі та поточному утримувані, придатною до ремонту, повинна застосовуватися на здоровому земляному полотні.

Таблиця 4

№

нерівн

п/п | Довж. нерівн.

м | Макс. глиб. осідан, мм | Р3, кН | Р4, кН | Р5,кН

пас | ван | цис | пас | ван | цис | пас | ван | цис

1 | 3,0 | 21 | 60,2 | 78,8 | 79,2 | 60,6 | 80,0 | 79,0 | 135,5 | 135,0 | 134,0

2 | 3,25 | 28 | 59,9 | 39,5 | 36,6 | 59,7 | 83,2 | 82,0 | 126,0 | 128,0 | 129,3

3 | 3,3 | 26 | 155,5 | 35,8 | 35,6 | 156,0 | 213,0 | 212,0 | 335,0 | 342,0 | 344,0

4 | 3,32 | 29 | 94,0 | 102,0 | 137,0 | 113,0 | 162,0 | 256,0 | 225,0 | 272,0 | 370,0

5 | 4,0 | 27 | 66,0 | 108,0 | 104,0 | 148,0 | 138,0 | 133,0 | 220,0 | 236,0 | 237,0

6 | 4,11 | 28 | 138,4 | 43,2 | 182,0 | 136,9 | 188,0 | 185,0 | 295,0 | 312,0 | 314,0

7 | 4,17 | 28 | 64,8 | 44,1 | 65,3 | 57,2 | 90,4 | 89,5 | 129,2 | 136,8 | 135,8

8 | 4,21 | 29 | 68,4 | 44,0 | 41,9 | 62,4 | 99,2 | 97,4 | 143,6 | 150,0 | 152,6

9 | 5,05 | 31 | 60,8 | 50,5 | 47,2 | 60,0 | 92,4 | 91,2 | 153,0 | 173,0 | 174,0

10 | 5,09 | 36 | 116,4 | 209,0 | 205,7 | 111,6 | 162,0 | 161,2 | 242,0 | 248,0 | 248,4

11 | 5,14 | 30 | 53,6 | 72,0 | 73,8 | 54,0 | 77,0 | 75,4 | 124,0 | 138,0 | 137,2

12 | 5,24 | 36 | 85,2 | 110,4 | 107,6 | 80,0 | 115,0 | 114,0 | 166,0 | 187,0 | 173,0

13 | 6,02 | 31 | 94,8 | 125,0 | 124,2 | 92,4 | 129,0 | 127,8 | 213,0 | 222,0 | 219,2

14 | 6,1 | 29 | 124,0 | 152,0 | 149,0 | 122,0 | 154,0 | 153,8 | 278,0 | 286,0 | 284,5

15 | 6,36 | 36 | 54,8 | 106,4 | 102,8 | 47,6 | 80,8 | 80,8 | 110,0 | 123,0 | 121,6

16 | 6,56 | 30 | 125,0 | 152,0 | 153,3 | 121,0 | 156,0 | 154,2 | 277,0 | 294,0 | 290,4

Умовні позначення:

пас – вагон-лабораторія (пасажирський чотирьохвісний вагон);

ван – чотиривісний напіввагон;

цис – чотиривісна цистерна.

Довжина перехідної ділянки, включаючи конструктивні заходи, в залежності від місцевих умов і результатів розрахунків, повинна дорівнювати від 15м до 20м. При русі з підвищеними швидкостями поїздів та застосуванні безстикової колії рекомендується збільшення довжини перехідної ділянки від 20м до 50м. Охоронні пристрої виносяться за межі перехідної ділянки на 10м.

При сполучені з земляним полотном рекомендуються слідуючи конструкції підшпальної основи:

а) з перемінною ступінчатою товщиною баластового шару;

б) на залізобетонних плитах типу БМП, які змонтовані на баластовому шарі.

В усіх випадках при застосуванні плитної перехідної конструкції при сполученні рекомендується поступово зменшувати відстань між осями залізобетонних шпал до мінімально дозволеного - 420мм. З послідовним повільним переходом на плиту на довжині 10 – 12м. При цьому в усіх випадках край плити, що безпосередньо примикає до безбаластної колії, повинен опиратися на пружні опорні елементи для виключення залишкових деформацій на кінці перехідної колії.

В перехідній конструкції повинні застосовуватися рейки типу Р65 або Р75, які відповідають вимогам ДСТУ 4344:2004.

Рейкові скріплення повинні забезпечувати жорсткість підрейкових опор в оптимальних межах, а також можливість регулювання положення рейкових ниток по рівню. Конструкція скріплень повинна бути постійною по довжині перехідної колії, зміну жорсткості підрейкових опор за рахунок скріплень можна допускати в виняткових випадках.

В якості підрейкової основи на перехідних ділянках рекомендуються залізобетонні плити безбаластного мостового полотна БМП розмірами 3200х1990мм (за типовим проектом РЧ-390), що укладаються на щебінь, мостові залізобетонні шпали, що виготовляються за ТУ У 35.2-30268559-114-2003, при конструкції колії зі змінною товщиною баластного шару.

Для створення ефекту поступового збільшення жорсткості колії і зменшення залишкових деформацій по довжині перехідної колії, при плитній підрейковій основі рекомендується зменшувати ширину спеціально виготовлених плит типу БМП (але не менш ніж 2200мм).

Перехід з плитної підрейкової основи повинен виконуватися тільки на залізобетонні шпали. При дерев’яних шпалах на підходах до штучної споруди щільність їх укладання по мірі наближення до стику з залізобетонними шпалами повинна поступово збільшуватися, але не більше ніж до 2400 шт/км на довжині 10-12 м. Необхідно уникати улаштування рейкових стиків на протязі перехідної колії.

Для улаштування баластної призми повинен застосовуватися щебінь твердих порід, з марками не нижче У-50 та І-40. Застосування щебеня із слабких порід не допускається. Баластна призма повинна мати товщину під шпалою не менше ніж 25см (щебінь) і 20см (піщана подушка). Ширина плеча баластної призми – не менше 45см (шпали) і 25см (при плитах шириною 3200мм). Крутизна відкосів призми повинна бути - 1:1,75.

В кривих малого радіуса, які потребують розширення колії, де застосування залізобетонної підрейкової основи небажано, прийнятною являється конструкція з набору дерев’яних перевідних брусів з перемінною епюрою.

ВИСНОВКИ

1. Головними причинами утворення силової і геометричної