автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Исследование работы железнодорожного балластного слоя и разработка рекомендаций по увеличению срока его службы

На правах рукописи

ЖИЛЬБЕР ЧЕМУ

УДК 656.3:625.151.001.24.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО БАЛЛАСТНОГО СЛОЯ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ СРОКА ЕГО СЛУЖБЫ

Специальность 05.22.06 — Железнодорожный путь

Авторефер ат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения с учетом эксплуатационных условий железных дорог Республики Камерун.

Научный руководитель —

кандидат технических наук, доцент БОЖЕВОЛЬНОВ Борис Петрович

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор КАНДАУРОВ Иван Иванович; кандидат технических наук

ЧУЯН Сергей Николаевич

Ведущее предприятие — Октябрьская железная дорога.

Защита состоится 27 января 1998 г. в 15 час на заседании диссертационного совета К 114.03.06 в Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 9, ауд. 7-127.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Университета.

Автореферат разослан « . гт» января 1998 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу Университета.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ»

Актуальность теки. Республика Камерун расположена в центральной Африке на побережье атлантического океана. С Востока на Запад протянулись горные хребты, с высотой отдельных вершин. достигающих 4100 и. Вдоль хребтов по ущельям протекают основные реки страны. Реки судоходам и являются транспортам! связями келду океаном и восточной частью страны. Вдоль рек проложены нелезные и автомобильные дороги. Экономика республики Камерун активно развивается. Существующая транспортная сеть не удовлетворяет потребности страны. Особенно остро стоит вопрос о строительстве меридиальных транспортных связей для удовлетворения нунд северных и вжкых районов.

Существующая гелезнодорожная сеть состоит из двух линий, связывающих порт Дуалы с востоком страны (станция Нгаудере) протязенностьо 934 км и порт Дуалы с севером страны (станция Нконсамба) протяженностью 175 км. Общая протяженность железных дорог Камеруна составляет 1114,8 км.

Грузонапряженность отдельных участкоз аелезной дорога достигает %. 2 млн.ткм/км в год. Скорость двикения пассажирских поездов 150 км/ч, грузовых 90 км/ч.

Осевые нагрузки от локомотивов 17 т, от вагонов Ют.

Трудные топографические, условия обусловливают наличие большего количества кривых малых радиусов, (общая протяженность кривых участков составляет 60S), наличие крутых уклонов достигет 15% (общая протяженность линий с.уклоном > 15%. составляет 40%).

Ширина колеи 1000 мм, топ рельсов от РЗб до Р50, впалы деревянные, эпюра 1840 - 2000 ит/км, скрепления - костыль-

- г -

ные, балласт щебеночный с толщиной под шпалой 15см.

Земляное полотно отсыпано из местных грунтов, которые сильно переувлажнены.

Республика Камерун расположена в экваториальной Африке, с резко-выраженным тропическим климатом. Количество годовых осадков достигает 2000 мм причем 7 055 осадков выпадает в период с мая по июль.

Огромное количество осадков, выпадающих в короткий период времени, требует устройства надежного водоотвода от земляного полотна. Особые требования предъявляются к устройству и содержанию балластной призмы.

Актуальность работы заключается в отыскании инженерных решений, способствующих увеличению срока службы балласта при обеспечении хорошего водоотвода, упругих переработок динамических нагрузок и т.п.

Цель работы. Основная цель «г диссертации состоит в исследовании работы железнодорожного балластного слоя для разработки рекомендаций по увеличению, срока его службы. Балластный слой железнодорожного пути является одним из основных элементов конструкции, существенно влияющим на современную технику и технологию в системе ремонтов пути, на их периодичность, объемы работ, состояние пути, а также на качество и трудоемкость его содержания.

Для достижения этой цели решены следующие задачи. :

1. Рассмотрены условия опирания рельсошпальной решетки на балласт. Выполнен анализ сил трения по боковым поверхностям и торцам шпал, установлена высокая вероятность зависания рельсошпальной решетки над своим основанием за счет сил трения по боковым поверхностям шпал, а также из-за нарушения равноупру-

гости подрельсового основания. При висящей рельсоишальной решетке под поездом происходит ударное воздействие подошвы шпал на балласт. Это вызывает повышенное разрушение'балласта'и способствует интенсивному росту его осадок.

2. Исследованы вынужденные колебания частиц балласта под шпалой и свободные их колебания в шпальных ящиках. Определены перемещения, скорости и ускорения частиц балласта. Это позволило дать оценку интенсивности износа частиц балласта.

3. Изучены характер взаимодействия частиц балласта в их контакте и условия, вызывающие их разрушение.

4. Сформулированы.'практические рекомендации по продлещ® срока слуябы балласта, а также по рациональному устройству и содержанию балластной призмы.

Методика исследования. Для изучения упругих прогибов рельсошпальной рекетки использованы численные методы интегрирования уравнения изогнутой оси балки, ленащей на неравноупру-гом основании. Проведены теоретические исследования деформаций рельсов при различных комбинациях значений модуля упругости по длине пути.

Свободные и вынузденние колебания частиц балласта рассматривались как одномассовая система при наличии упругих и диссипативных связей. Колебания изучались как при идеальном состоянии пути, так и при-наличии отступлений: неровностей на поверхности катания рельса, и переменном по длине пути модуле упругости.

Методика определения контактных усилий между частицами балласта была несколько изменена. Ранее в теории зернистой среды она рассматривалась как нераспорная среда. В настоящей работе предложена уточненная методика для распорной среды.

На основании выполненных исследований, были разработаны рекомендации по увеличению срока службы балласта.

Научная новизна. Впервые рассмотрено зависание рель-сошпальной решетки, которая при прибллкении поездов резко опускается. Это приводит к удару рельсоипальной решетки.о балласт..

Изучение напряаенно-деформировгнного состояния балластного слоя выполнено, в основном, с использованием аппарата механики сплошных сред. В диссертации, кроме того, нашли значительное применение и получили дальнейшее развитие методы изучения балластного слоя как зернистой среды.

Опенка достоверности научных результатов. Достоверность основных результатов подтверждают следующие материала:

- исследования балластного слоя, выполненные Дорожкой пу-теиспытательной лабораторией Слуабы пути Октябрьской келезной дороги;

- зондировки балласта, произведенные Французской аналитической группой специалистов на линии- Санкт-Петербург-Москва;

- выводы, полученные, автором при выполнении оптических исследований тонкодасперсных фракций, формирующих выплески балласта;

-. .■ -многочисленные экспериментальные исследования работы балластного слоя, выполненные различными-авторами и опубликованные в специальной литературе.

Практическая ценность. Определены зависимости износа частиц балласта от их амплитуды, скорости и ускорения.

Дана оценка влияния на эти параметры качества подбивки, кустовой гнилости шпал и других несовершенств подрельсовог© основания.

•• Ешшаенкнз исследогакжг позволял шеста рэдпопаяышв изкенения в г.енстругояэ СаллзстпсЗ ир::::"!, .подбор его гранулометрического ссстгпа я др.

_рчДот". -.результата пссхздйзгшнл

каядут применение при коррсктарожа ПТЭ гзлзгяих; горог республик i Камерун. Рмюяекдадо. яргялогсгсглз в ;::сссртагпи, когут быть использованы стр;:;г,г::, особгзпо з ат^шях одина-

ковой слрииы колеи в с гз п зпеллуатацион-

кых условиях.

дпгюбзт'я р^ботм._Результате работа Сят лолсгсга на на-

учно-техшчсскоЯ конТ:рсг?1д:п путз:!1'*з гзяззяоа лс-

рога совместно с ваучжя cavpyx-yzr.:?; Ш7 ПС по вопроса.'?-путевого хозяйства (Санкт-По7с-?(5ург. lS95r. ).па' плтьдсслг третьей иаучпо-техгическоП кокфгрекеп! ПГУ ПС (с усхстае:* студентов, .•голода ученых и ссшрсятоз. Сшгг-йегсрбург. 1£?3г.), a raice на заседаниях каоздрн "^дагяоясрспг.'Я путь" ПГУ ПС (Санкт-Пе-терЗург, 1993 - Í9S3 гг.).

ц стоугп-тп ^"^г'., "^cccpiv'r'n сссто:гг пз .евздз-нил, четырех глав, оснозшх емзодоз п яредлогвниА. списка использованных источников ü вр-ялогошй. ОСъем работа составляет 254 страницу, вшгая 210 страп:щ ¡¿зхлшопкенего текста, 56 рисунков. .14 таблиц и 4 приложения. Список нспользозаяш-зс источников содержит 123 накмэноггшй.

- с -.

сшш ссйешек -кихтщп

Введение косвяаеко истории изучения вопроса балластного слоя и перспективода-о развития.

В пер.зоЯ глада давтся общка сведения о балластнок слое. Отмечено, что основное назначение балласта сводится к восприятию давления от рельсовых опор при прохождении подзисного состава и передаче' этого давления наиболее разномерно на воз;:опко больную плогдадь земляного полотна.

В качестве балласта могут быть использованы различного рода материала, к которым относятся: цзбеиь из естественного камня, искусственный щебень, галыса, гравий. песок (крупный, средний, колкий) паровозный шлак, ракуваа.

Из этих материалов каклучшш является цобань. По поводу его свойств в ГОСТе указывается. что он должен применяться б соответствии со строитгльнюш коркакк, праазлааи и друпш нормативными документами. - '

Следует отметить, что при этой ш:еотся в виду прочность щебня к его гранулометрический состав. Однако, как погсазали наш исследования, к этим характеристикам целесообразно добавить ецз сопротивляемость сдвигу, плотность я. коэффициент Фильтрации. .

По форкэ поперзчгаиз пробили балластной призна почти одинаковы во всех странах. Разница наблвдазтса только в размерах, так как он;; зависят от лрккеняёкой вкркны колеи. типа верхнего строения, материала балласта толщина слоя и плана'линии.

Определенно тсмгрзш балластного -слоя производится кз условий выполнения его ссноваого ваашяеаия - равномерного распределения давления, до ¿■рос;-!« допускасцого на основную пловздку

земляного полотна. Результаты расчетов показывают, что в эксплуатационных условиях железных дорогу Республики Камерун нужно иметь толщину балласта 40 - 50 см.

При рассмотрении механизма загрязнения балласта, отмечаются два процесса: внешний и внутренний. Последний процесс состоит в измельчении материала балласта вследствие его механической работы под нагрузкой^ в результате периодических уплотнений балластного слоя при ремонтных и выправочных работах, а также из-за выветривания. .

Рассмотрены исследования ряда авторов, направленные на изучение работы балластного слоя. В них реиены многие проблемы. но ряд вопросов до настоящего времени остается открытым.

История изучения балласта показывает, что поиски целесообразных конструкций основания рельсовой колеи ведутся со времени создания ранних проектов и строительства первых гелезных дорог.

Во второй главе рассмотрен характер опирания рель-со-шпальной решетки на балластной слой. Впервые рассмотрено положение рельсо-шпальной решетки относительно своего основания в вертикальной плоскости с учетом сил трения балласта по боковым граням шпал после прохода колесной пары. Выполнены расчеты по их определению. Эти силы по величине малы и не могут удернивать путь в подвешенном состоянии. Однако вероятность свободного подвешенного состояния рельсоипальной решетки из-за неравноупругости основания существует и ее опускание под действием набегающей колесной пары может сопровоадаться ударом об опорную поверхность балластного слоя.

Интенсивность износа частиц балласта зависит от многих условий, в том числе и от амплитуды их взаимного относительно-

го перемещения. В такой постановке задача решается впервые. Определение амплитуд перемещений боковых поверхностей шпал выполнено путем рассмотрения рельса как балки, лежащей на нерав-ноупругом основании. Идея метода основана на известкой зависимости менду потенциальной энергией V, накапливаемой балкой при изгибе, и просадками основания У:

ЕИУ" )2dx

Uy2dx

(1)

I Ь

Первое слагаемое в формуле (1) соответствует потенциальной энергии балки , второе - потенциальной энергии упругого

основания.

Частные производные от потенциальной энергии V по перемещению У,, представляют собой внешнюю нагрузку на балку 6У

«У,

(2)

Решение задачи выполнялось в два этапа. На первом этапе,

41

принимались разне значения жесткости рельса при трех значениях модуля упругости подрельсового основания. Модули упругости принимались постоянными по длине пути. При этом (см.рис 1): а,,-! - г^ - 55,0 см

1ш

1»

55.0 см

(20, 200, 380) кг/см2 (1000, .1500. 2000) см4

Vi ■ U» = <"f Ht. «а)

Vl - Ira ■ di' h' 1з) E - 2.1. 106 кг/см2.

На втором этапе модуль упругости подрельсового основания изменяется по длине пути (рис.2):

- только под расчетной шпалой (1 шпала);

- на соседних с расчетной шпалой (3 шпалы);

- на двух соседних с расчетной шпалой (5 шпал).

f

Составляя последовательно частные производные от потенциальной энергии по просадкам основания У0. У,. У2.....Ут.....У„

и приравнивая найденные выражения в соответствии с формулой (2) величинам внешней нагрузки на рельс, после преобразования получим:

Е1, и0ал 2Е1, Е1,

+ -|у0--— у, ♦ -- уг - о

+ Г Ш' Е1г + ц ] ]у

0 I а,*агг аг'1г ' 1

а,г1, 2) а^г^

2Е1, ( 4Е1| 1, ЕГ

( 2Е1, 2Е1г ^ Е1г „ п

. - + -- у2 + -^ уэ . о

V а, а2г Оцга3> ааа31г

Е1, у _ | яи + _£Е£_)у + ( Е1' +

а,а» 11 ° V а,агг агга3] 1 I 8гг1, а;,га3г

]уг - ( 2Е1' , 2Е1* ),. +

) V а,ачг аагги /

Е13 ^ I 2Е1г 2Е1

+ —:-+ иг1г

а,е13 ') ' К а,а3г 83%

е1

+ —::-у4 - О

Зз3* ^э

Е1г ( 2Е1г 2Е13 \ I Е1г 4Е1,13

--- + --- уг * ——- + -- +

V ага3г а3га«; I а3г12 \ I 2Е13 2Е14 \

- - ч»1» к - —Ч-+ -г- У*

4 ) V а^- а4га5 )

ага312 * V Зга3г а3га^ " I азг1г аэга«г

Е1< . м / 2Е13 2Е14 а«г1 Е1<

__ п 8*35 1«

Иш-1 „ ( 2Е1.-1 2Е1в %

-:-" -ё * —-

За-!0!«!»-! За-!8!»

» ( + 4Е1»1° + Е1»М + ц^ | V 8„я1в_| Йа'^а*:* Зимуем '

. ( гЕ1я + + у

I 4 в «О I

у»

(3)

+

Е1„.

п-З

^а-з^а-г 1п-з

Л

* ап-г ^п-з

_ ( 2Е1"-г Л ^-г3«-!2

- (

Е1

11-3

Е1,

Вц-з^-г2 йъ-г2^

. 4Е1

+

"-)Уп-3 +

¡-г^п-г^п-г ~

2Е1„.,

^а-3

Г"-1

2Е1„.г

Е1»-!

3п-18а1ц-1 2Е1„.1

Эп-гЭп-!^п-г v ап-гЗп-»'

Е1п.г 4Е1„_11П_1

Уд - г

Г Ь1п.г ' ап-1г1п-г

ап-!2^2

2Е1„

а о г

Г! -1

• Е1„

Е1«-1

2Е1ПМ

( Ни

1 а„г

XV

а я < 11-1 а11

о

Вв*!»-» 2 >

Уравнения (3) представляют соЗой систему п совместных линейных алгебраических уравнений с пятичленной матрицей коэффициентов. Для дальнейших расчетов в настоящей работе принят конечный участок балки длиной в 12 шпальных ящиков.

Исходные данные выбраны из соображений, что. в Республике Камерун эксплуатируются деревянные шпалы. В принятых исходных дачных модуль упругости варьировался в широких пределах от 20

кг/смг до 380 кг/смг.

Оценка основных прочностных характеристик^ пути, в том

числе и напряжений в.подошве рельсов показываэт, что их значения, не превышают допускаемых.

Рассмотренная в диссертации методика может быть использована для оценки влияния одиночной и кустовой гнилости шпал на

+

+

п

и -/ я

Рис.1. Расчетная схема для определения упругих прогибов рельсоэ численным способом.

20 12 1 3 30 20

200 330 4 200

20 2|0 20

350 т зэо

2С0 20 1 200

380 20 380

Ряо.2. Варгаити ягкешшя кояуяа упругости основания

- 12 -

безопасность движения поездов:

нормальная работа балластного слоя оценивается коэффициентом Фильтрации, который в значительной степени определяется гранулометрическим составом последнего. При определении фильтрационной способности балласта необходимо иметь данные о размере зерен, пористости, неоднородности и загрязненности.

Допустимое количество загрязнения моено определить через долю по весу мелких частиц от общего количества балласта. С помощью кривых гранулометрического состава мокно судить о крупности материала, его неоднородности и пористости.

Щебеночный балластный слой долкен содержать зерна разных размеров, мелкие зерна расклинивавт крупные и повышают устойчивость балластной призмы. Количественно соотношение зерен балласта по фракциям зависит от условий эксплуатации и требует проведения дополнительных самостоятельных исследований.

Под воздействием подливной нагрузки происходит истирание час.пц балласта, причем процесс разрушения частиц балласта зависит от прочности поверхности материала и характера взаимодействия меяду частицами. Накопление мелких частиц балласта при соответствующих условиях мосет вызвать образование выплесков. В зависимости'от соотношения давления на балласт под подошвой шпалы и скорости фильтрации вода в балластной призме могут возникать следующие ситуации:

- нагрузка от подошвы шпалы передается только на структурную решетку -балластного слоя:

- нагрузка от подоивы шпалы передается не только на решетку балластного слоя, но и на слой воды, находящийся под шпалой. Такое распределение давления возникает в том случае, когда фильтрация вода в балластном слое затруднена. Это приводит к

резкому выдавливание из-под шпалы воды вместе с загрязнителями. т.е. к их «выплеску>>.

Истирание частиц балласта зависит от амплитуды их взаимного перемещения, скоростей и ускорений рабочих поверхностей, т. е. •

I, - К) ■?■! I* - Кг-Р-г'Ч I, - Кз-р-г-ч2

где к,* - коэффициенты, характеризующие соответственно износостойкость материала; Р - давление частиц друг на друга; I - время.

Реаая уравнения (3) определяем Ъ. V, 2" самой шалы. Характер те колебаний частиц балласта в шпальных ящжах и под впалой мохет быть иным.

Третья глава поезяазна изучении механики балластного слоя. Его вибромеханическая модель приведена на рис. 3.

Часть балласта, находящегося вне области передачи динамической нагрузки от шпал при проходе поезда,совершает колебания, аналогичные колебаниям основной площадки земляного полотна

м 1" + а2' + пг - Рз1шй (4)

При определенных скоростях движения экипаззей ввиду односторонности связей частики балласта могут оторваться от основной пдо-цадки земляного полотка. Сила тязести стремится вернуть частицы балласта вниз. Движение частиц под действием их тягости будет описываться уравнением

г* - - ~ + г0'п + гС) (5)

где го"1 - начальная скорость щебня в момент отрыва

- координата, характеризующая положение щебня и платформы в момент их соударения.

Расчетные параметры принимались следующий: м - (0,0002; 0,008; 0.016) кг. сек*/см; а « (10; 40: 200; 400) кг. сек/см; . ' в - (10000; 30000; БОООО; 130000) кг/см Результаты выполненных расчетов приведены на рис.4.

Из графика видно, что возмовный отрыв частиц щебня (..закипание" щебня) происходит при скоростях движения экипажей около 130 км/час.

Часть балласта, находящаяся под шпалой при проходе экипажей будет совершать колебания обусловленные характером передающихся на шпалу нагрузок. "

В качестве расчетной схемы принята одномассовая система с линейными двухсторонними связями.

Расчет амплитуд вертикальных перемещений, скоростей и ускорений частиц в теле балластной призмы выполнен для ряда случаев. ':

Случаи однократного приложения силы. Они возникают тогда, когда имеет место короткие .неровности пути: стыки, ползуны . и др. ■Дифференциальное уравнение в этом случае имеет

вид йм..: ••'.•:

мгп + а2' + ¡¡й - р (б)

или

,. р

г - еу* (0,005^ с Сгз1п<Ш + —- (7)

ж : '

Для отыскания резонансных скоростей, при которых колебания

1 - без пркгруза;

2-е пригрузом;

3 - о пригруэсм от двух агпзл.

А

130 км/ч

Рис.4. htauaesyxft кояебшгий частиц балласта при разли-касс сгсоросгки яз5«гания экипажей.

частиц щебня будут максимальными необходимо рассмотреть случаи многократного приложения сил. Дифференциальное уравнение в этом случае имеет вид

MZ" + aZ' + sZ - Pslnat (8)

или

Z - e'i'iCjCospt + Cj>sln|it) + C3slm)t + C4coswt (9) В работе проведены многовариантные расчеты по определению амплитуд вертикальных перемещений, скоростей и ускорений частиц щебня в теле балластной призмы. Большое внимание уделено исследованиям влияния расчетных параметров на результаты расчетов. На рис. 6. 7 приведены зависимости Z, Z', Z" от m и к

В диссертации впервые подробно рассмотрены вертикальные колебания шпал с учетом неровности пути, вызванной неравноуп-ругостью.основания.

Принятая неровность очерчена по косинусоиде. Ее уравнение

е0 ( 2kv \ е0 г л

П - — 1^1 - cos—— tj ~~ ^ - COStDtJ (10)

Параметры неровности подробно исследованы во второй главе.

. Дифференциальное уравнение вертикальных колебаний шпалы

имеет вид - :

4Pv2 [

mZ" + aZ' + »Z - P + —— 6,11 - cosajtl: t e [0, 1/v] (li) (6) ;

gl* V J

(И) имее

Общее решение уравнения (И).имеет вид г - е-К'(С1соз31 + сгэшб!) + К + Ш1п(иг + 9) (12)

Результаты выполненных расчетов приведены на рис.8, 9, 10.

Из рисунков видно, что при наличии неровности амплитуды колебания больше. ■ чек при ровном пути.

Анализ колебаний шпал при наличии упругих неровностей пути так подробно .выполнен впервые. Этот анализ позволяет рекомендовать при эксплуатации пути с упругими неровностями соблгз-

- 17 -! P(t)

Ptîo.5. Пргкягезл расчстопя казяизггескгя г:олс;п>. p(t) - ома, псрояххя&гся ira пяаяу;

'Л - пасса чпсэтгц

™ - хэсгкссгь свягсй- исхэдг тасетгдахз*; . а - пязкоа a csuosœsst 'ir/tsi.

Pira.б. 3апис:."меть 2, 2', 3" о? М,

Заамскиооть' S, S1, 2" от Z.

дать условие

2е„

■\доп

1

где 1доп < 0.001 при V с 100 км/ч 1Д0П < 0,0005 при V > 100 км/ч.

• Больше внимание в работе уделено исследованиям контактных напряжений меад частицами балласта. В расчетах принимались частицы щебня в виде шаров с радиусами И и модулями упругости Е. Если принять Н, и Е5 »Ег. то 3 /-

где

- 0,02433

9й йг

8аЪ

1

XV

25Й! Е2

г+Ь 1«-

51

ь2

п

(X - Л)г1

(14)

I и -

■+а

(1-

а<

-)ехр

(_ (у " Г 2чг* )

бп

-а

(15)

В формуле (15)

0. - нагрузка иа балласт от щпал (коает быть определена обычнш

расчетом пути на прочность); 3 - диаметр зерен; 2а - длина полуипалы; 2Ь - ширина шпалы;

П - переменные интегрирования: х. у. ъ - координаты в пространстве;

v - коэффициент. : учитывающий структуру грунтов (зависит от размеров частиц и от неравномерности передав усилий на ниге-аежащие частицы). ■'.' ..

Средние контактные напряжения, отнесенные ко всей площади контакта

Рк О

41,1015

100. Р,

(16)

Напрягение в центре площадки контакта

бшах »1.5бкер Два других главных напряжения в центре площадки б, - бг - ~ 0,8биях

.(18)

(17)

В работе выполнены подробные расчеты. Исследована зависимость величин усилий меаду частицами балласта, площадей контактов и контактных напрянений от диаметров зерен на различных глубинах их залегания (рис. 11,12).

С увеличением глубины залегания частиц балласта напряжения в нем вдоль вь'равниваэтся и становятся практически одинаковыми под впалой и в меадушпальном ящике. На глубине 45 см от нитей постели кпалы при диаметре зерен 30 км разница в этих сечениях не превышает 55 (рис.13).

Гранулометрический состав балласта оказывает огромное влияние на уровень сил взаимодействия' иеаду частицами и на величины контактных напряжений. Так при увеличении диаметра зерен силы взаимодействия растут, а контактные напряжения уменьшаются (рис, 14). С увеличением глубины "залегания частиц характер взаимодействия выравнивается.

Четвертая глава посеяаена рассмотрению вопросов, посвященных увеличении срока службы балласта. Для ресения данной задачи рассматривались критические состояния балластного слоя, такие как:

- потеря прочности щебня:

Рис,8. Прогибы. Рис.9. Скорости. Рис.10. Ускорен»«! - - с неровностью, — — - _ норозкосто:

Рк, кг >Гк сиНО- ок. КГ, СИ Рк. < кг ГА С«1|(>-- & 1

3500 3500

3000 «0 Рк 3000 Мб

2500 500 / 2500 500

2000 400 /у »00 400 Ж*

1500 «о 15000 1500 »0 15000 /у

1000 200 10000 |Ю 200 10000 «к""

500 100 -5000 / / —ок 500 100 ■5000 «

II 3 4 5 6Д 1 2 3 4 5 «с!,

с« ш

Рис.11. Рис.12,

рк. '»/к, .„«,■ вк -цри г=0см рк/ ;/к, ок1®*, в* - при г«5сн

Рис.13. о* при 2=5, 15, 35 и 45см

- увеличение загрязненности;

- снижение коэффициента внутреннего трения и сцепления между зернами;

- увеличение неравноупругости пути;

- накопление в балласте тонкодисперсных частиц минералов, которые связывают воду и цементируют балласт.

Все мероприятия по предупреждению и развитию дефектов в балластном слое можно разбить на три группы:

- уменьшение износа и разрушения частиц балласта;

- исключение возможности появления вредных частиц в балласте;

- обеспечение очистки балласта от нежелательных частиц.

Для уменьшения износа целесообразно применение щебня, изготовленного из высокопрочных кристаллических пород. Это способствует снижению интенсивности износа и уменьшению химического выветривания.

Механическое разрушение происходит под воздействием нагрузок и вибрация при движении поездов. Наблюдается не только скол острых граней, но и округление, контактирующих поверхностей зерен. При использовании щебня из высокопрочных пород отмеченное происходит, но с меньшей интенсивностью. Особенно большое влияние на механическое разрушение частиц балласта оказывает грузонапряженность, осевые нагрузки и скорость движения экипажей и др.

Подбор оптимального гранулометрического состава балласта способствует как снижению интенсивности износа щебня, так и выносу мелких частиц из балластной призмы при интенсивных атмосферных осадках.

Проведенные нами расчеты показали, что контактные напряжения между частицами будут меньшими при больших диаметрах зе-

реп (диаметры в пределах 60 - 70 к:.'). Однако при больших диаметрах зерен на них передается больше усшкя, возникают Сольют ускорения дштаяшя частац. А большие аиттуды вкбрацгш ускоряют нзнос частиц. Поэтому с цольв укеньаен::я интенсивнос-тн износа частиц балласта при осэвоЗ нагрузке до 20 тонн рекомендуется фракции диаиетров 25 - 45 ка.

Для уменьшения интенсивности накопления врадак частиц в балласте необходимо совершенствовать конструкции балластноП призмы и аелознодорсишого пуп; в излом. Необходимо так се обеспечить отвод мелгсих часткц.пз СалластноЗ призш ь процесса эксплуатации ввлээаодоро-кого пути. Для определения оптакавь-пых условий, удовлетворяй:®« эти:.: целяа необходимо • продоягать исследования в указанном направлен»:?..

Если балласт засоряется, то необходимо кроязводить очистку балласта от неселательных части!.

Срок выхода балласта кз строя опредэллатся- по аккукуля-тивиой способности, т.е. .-шщчестео.загрязнения которое ногет разместиться виутря балласта йс-з ек^ткого увдкашя его работы. В этом большое значение ш/еет объек пор балласта.Обеспечение объека пор связано с храаулсиетрячгсйш составах бавласте. .с такими его характерксткти как сориа частиц, кшералогичес-кий.состав, структура, относительная 'плотность к др. Все это позволяет судить о его дефортгфуекосте. водопроницаемости, сопротивляемости-сдвигу и т.д.,

Б результате выполненных исследований автором предложена новая методика определения срока службы балласта.

Приникая во внимание, что основное загрязнение балласта, это продукт истирания частиц самого балласта, срок его слузбы необходимо определять исходя из интенсивности его износа.

- 25 -

При расчетах износа в первом приближении была принята линейная зависимость между временем износа I и величиной износа I, а также допущение, что в период нормальной эксплуатации балласта интенсивность его изнашивания остается постоянной.

Тогда контактные напряжения бк, путь Б относительного скольжения, количество циклов N являются основными величинами, определяющими интенсивность изнашивания

I - К. би.Э. N (19)

Таким образом интенсивность износа определяют следующие факторы:

- упругая осадка пути I » Г(2);

- Физические свойства материалов балласта I - г (К. П. Здесь "К" показывает на сколько миллиметров износится поверхность щебня за 1 год при ускорении 1 см/секг меяду частицами балласта, т.е. "К" характеризует износостойкость материала, а "Т" - площадь контакта мезду частицами;

- величина воздействия внешней силы I - Г(ба);

- тип верхнего строения пути, упругая осадка которого г - г си. л, к. а, ш):

В свои очередь модуль упругости подрельсового основания "и" зависит от размеров шпал и их эпюры, коэффициента постели шпал.

Предельную доля загрязнения балласта по массе обозначим "Мяред". Ремонт балласта необходим когда сумма продуктов истирания будет приближаться к "Мпред".

Обозначим через Тся - срок службы балласта,

щ - касса балласта 1 кк пути.

или

Тогда Т

|1.<П/ м6 - Мцр„

О

ТсЛ

I

К.0,.Б.Н.« - Мцред.1

О

интегрируя получаем

Т

[КЛ-^И^] " - Идред.М«

К. бк. Б. N. Тсл - МПред-Мв Идрел•

откуда Тсл

К-б^Б-И Мпред. Мб

(20)

К. 5.0

где 0 - грузонапряженность линии

В работе приведены расчеты по определению Тсл в различных эксплуатационных условиях.

Выполненные в диссертационной работе исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Изучен характер опирания рельсошпальной решетки на балластной слой и их взаимодействие. Впервые рассмотрено зависание рельсошпальной решетки в вертикальной плоскости. Под движущимися экипажами может происходить удар рельсошпальной решетки по балласту и передаваться на основную площадку земляного полотна.

2. Определены упругие прогибы рельсов под проходящими экипажами при переменном по длине пути модуле упругости под-рельсового основания. Предложенная методика может быть исполь-

зована для оценки влияния одиночной и кустовой гнилости шпал на безопасность движения поездов.

3. Изучены колебания шпалы при переменном по длине пути модуле упругости подрельсового основания. Установлено что, характер колебаний частиц балласта в шпальных ящиках и под шпалами существенно отличается друг от друга. Истирание частиц балласта зависит от амплитуды их взаимного перемещения, скоростей и ускорений трущихся поверхностей.

4. Доказана возможность отрыва частиц щебня друг от друга в шпальных ящиках, т.е. его "закипание" при высоких скоростях движения экипажей. Явление "кипения" щебня в шпальных ящиках изучено впервые.

5. Выполнено исследование амплитуд вертикальных перемещений. скоростей и ускорений частиц щебня в теле балластной призмы для ряда случаев: однократного и многократного приложения сил, в том числе с учетом неровности пути, вызванной не-равноупругостыо основания. В такой постановке колебания частиц балласта под шпалой ранее не изучались. ■.

6. Предложен и обоснован новый механизм' образования выплесков балласта пути.

7. В работе подробно рассмотрены зависимости величин усилий между частицами балласта от площади контакта и контактные напряжения от диаметров зерен на различных глубинах их залегания. Это позволяет дать предложения по целесообразной толщине балластного слоя под шпалой и его гранулометрическому составу.

8. Получена формула для определения срока службы балласта. исходящая из новых концепций..

- 28 -

Основные положения диссертации опубликованы в работах: 1. Чему Кильбер. Железные дороги республики Камерун, Проблемы и перспективы. ПГУПС. 53-я научно-техническая конференция

бург, 1993.

2. Чему Жильбер, Боаевольнов Б.П., Семенов И.И. О виброди-камической модели балластного слоя в. д. пути. Сб.Трудоз ПГУПС. Вып.1. (находится в печати).

3. Чему йильбер, Семенов И. И. Определение упругих прогибов рельсовой нити пр переменном по длине пути модуле упругости подрельсового основания, сб. трудов ПГУПС, Еып.1.(находится в печати)

Исследование работы железнодорожного балластного слоя и разработка рекомендаций по увеличению срока его службы

05.22.06. - Железнодорожный путь.

с участием студентов, аспирантов и молодых ученых. С-петер-

йильбер Чему

Сдано в набор. /># пплт^ячо к печати .43

Фермат бумаги ¿Р/АМ. Заказ Тираж . экз

Типография ПГУПСа. С-Петербург. Московский пр. 'Б.