автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Обеспечение устойчивости бесстыкового пути в сложных условиях эксплуатации

005020295 "Р^3* рукописи

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.22.06-Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 [адр та

Иркутск-2012

005020295

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) на кафедре «Путь и путевое хозяйство».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Филатов Евгений Валерьевич

Официальные оппоненты:

Стоянович Геннадий Михайлович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», заведующий кафедрой «Железнодорожный путь, основания и фундаменты»;

Суслов Олег Александрович, кандидат технических наук, ОАО "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта", заведующий лабораторией "Бесстыковой путь".

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС).

Защита диссертации состоится 12 апреля 2012 г. в 13:00 на заседании диссертационного совета ДМ218.003.06 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» по адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, д. 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 12 марта 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ДМ 218.003.06 д.т.н., доцент

Ю.М. Кулинич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Бесстыковой путь температурно-напряженного типа имеет значительные преимущества перед звеньевым, благодаря чему в последние годы он стал основной конструкцией верхнего строений пути на сети железных дорог ОАО «РЖД». Но из-за происходящих выбросов пути, а также из-за разрывов рельсовых плетей бесстыковой путь такой конструкции является потенциально опасным элементом комплекса инженерных сооружений железнодорожного транспорта.

Согласно Федеральной программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» повышение безопасности железнодорожного транспорта является одним из ключевых направлений развития.

«Восточно-Сибирская железная дорога» (ВСЖД) - часть Транссибирской магистрали, являющейся связующим звеном между Европой и Азией, основной задачей которой является пропуск подвижного состава с должной безопасностью и своевременностью доставки грузов и пассажиров. С целью снижения эксплуатационных затрат на ВСЖД в 1999 г. было принято решение о внедрении более совершенной конструкции верхнего строения пути, которой является бесстыковой путь температурно-напряженного типа. Тенденция увеличения протяженности бесстыкового пути с начала укладки приведена на рис. 1.

2000.0 1800.0 1600.0

Рис. 1. График увеличения протяженности бесстыкового пути на ВСЖД в период 1999-2011 гг.

Часть сети железных дорог ОАО «РЖД» находится в сложных эксплуатационных условиях (сочетание кривых малого радиуса с затяжными спусками и подъемами, высокие сезонные и суточные колебания температур, обращение поездов повышенной массы и длины), так, на ВСЖД, типовая конструкция бесстыкового пути без каких-либо эксплуатационных ограничений может применяться менее чем на 80 % от эксплуатируемой длины дороги.

В последние годы на сети дорог ОАО «РЖД» и на ВСЖД в частности наблюдается тенденция к переходу от содержания плетей длиной 800 м к содержанию плетей длиной в блок-участок и перегон, что значительно затрудняет контроль за температурной работой плетей по применяемому в данное время методу «маячных» шпал.

Для ликвидации этих ограничений необходима разработка мероприятий, расширяющих допускаемый температурный интервал укладки для конструкции бесстыкового пути и способа контроля за температурным режимом эксплуатируемых плетей.

Цель работы

Целью диссертационной работы является расширение допускаемого интервала укладки конструкции бесстыкового пути, путем повышения ее устойчивости в сложных условиях эксплуатации, а также разработка способа контроля за температурным режимом эксплуатируемых плетей.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Выполнен аналитический обзор существующих методов обеспечения устойчивости бесстыкового пути.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования по определению напряжений в плетях бесстыкового пути на основе метода акустоупругости.

3. Разработана методика оценки устойчивости бесстыкового пути в послере-монтный период на основе конечно-элементного моделирования.

4. Разработано устройство для повышения устойчивости рельсошпальной решетки, путем модернизации существующей конструкции железобетонной шпалы.

Методы исследования

Диссертационная работа основана на использовании комплекса теоретических и экспериментальных исследований, к числу основных из которых относятся следующие:

- метод акустической тензометрии в основе которого лежит упругоакустический эффект;

- методы сопротивления материалов и расчета устойчивости конструкций;

- метод конечных элементов, применяемый для расчета конструкций верхнего строения железнодорожного пути;

- методы статистической обработки результатов экспериментов и их корреляционного анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика определения напряженного состояния бесстыкового пути на основе метода акустической тензометрии;

- на основании экспериментально полученных данных построены зависимости сопротивления шпал и величин упругого отпора при действии поперечной нагрузки на участках с различным пропущенным тоннажем;

- усовершенствована существующая конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути посредством ввода различных нелинейных зависимостей сопротивления подрельсовых опор поперечной нагрузке от пропущенного по участку тоннажа.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением для измерения напряжений в рельсах оборудования, основанного на явлении акустоупругости, возможности которого подтверждены сертификатом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии;

- использованием сертифицированного программного обеспечения применяемого для расчета конечно-элементных моделей бесстыкового пути, возможности которого подтверждаются в опубликованных работах других авторов;

- хорошей сходимостью результатов экспериментальных исследований с теоретическими расчетами.

Практическая ценность диссертации заключается в следующем:

- подтверждена возможность применения метода акустоупругости для определения напряжений в рельсовых плетях;

- установлено влияние пропущенного тоннажа по участку на сопротивляемость железобетонных шпал сдвиговым усилиям, а также на величину упругого отпора при действии поперечной нагрузки;

- в результате моделирования устойчивости бесстыкового пути на участках с различным значением пропущенного тоннажа было определено его влияние на устойчивость бесстыкового пути в кривых участках;

5

- предложен способ повышения устойчивости бесстыкового пути посредством усиления железобетонных шпал и подтверждена его эффективность путем проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях.

Реализация результатов работы

В производственный процесс Иркутск-Сортировочной дистанции пути ВСЖД -филиала ОАО «РЖД» была внедрена методика оценки напряженного состояния бесстыкового пути на основе метода акустоупругости.

Личный вклад автора состоит:

- в разработке методики и проведении экспериментальных исследований по определению напряжений в плетях бесстыкового пути на действующих участках пути ВСЖД посредством прибора, принцип работы которого основан на методе акустоупругости;

- в разработке методики и проведении экспериментальных исследований по определению величин сопротивления и упругого отпора железобетонных шпал при воздействии поперечной нагрузки на участках железнодорожного пути с различным пропущенным тоннажем;

- в усовершенствовании существующей конечно-элементной модели расчета устойчивости бесстыкового пути посредством ввода экспериментально полученных зависимостей сопротивления подрельсовых опор сдвиговым усилиям, зависящим от пропущенного по участку тоннажа;

- в разработке устройства для повышения устойчивости бесстыкового пути посредством модернизации существующей конструкции железобетонных шпал и проведении экспериментального исследования разработанного устройства.

На защиту выносятся:

- методика определения напряженного состояния бесстыкового пути на основе метода акустической тензометрии;

- усовершенствованная конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути;

- полученные экспериментальным путем зависимости сил сопротивления шпал и величин упругого отпора при действии поперечной нагрузки на участках с различным пропущенным тоннажем;

- способ увеличения устойчивости бесстыкового пути посредством разработанного автором работы устройства.

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и получили одобрение:

- на второй международной научно-практической конференции «Развитие транспортной инфраструктуры Забайкалья - основа роста экономики Забайкальского края», проходившей в Чите в 2008 г.;

- на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог», проходившей в Иркутске 20-24 апреля 2009 г.;

- на техническом совете службы пути ВСЖД - филиала ОАО «РЖД» на тему «Проблемы текущего содержания бесстыкового пути» проходившем 23 апреля 2010г.;

- на V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», проходившей в Екатеринбурге 25-29 апреля в 2011 г.;

- на II Межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», проходившей в Иркутске 16-18 октября 2011 г.;

- на заседаниях кафедры «Путь и путевое хозяйство» ИрГУПС, проходивших в 2008-2011 гг.

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, двух приложений и списка литературы, включающего 127 наименований. Диссертация изложена на 207 страницах машинописного текста, содержит 105 рисунков, 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, охарактеризована структура, определены методы исследования, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведен анализ работ, посвященных исследованию устойчивости бесстыкового пути и способов ее обеспечения. Решением данных вопросов занимались многие зарубежные и отечественные ученые. В список отечественных ученых работавших над проблемой устойчивости бесстыкового пути входят такие ученые, как В.Г. Альбрехт, М.С. Боченков, Е.М. Бромберг, М.Ф. Вериго, Н.П. Виногоров, В.А. Грищенко, Н.Б. Зверев, Э.П. Исаенко, Н.И. Карпущенко, С.И. Клинов, А.Я. Ко-

ган, A.A. Кривобородов, К.Н. Мищенко, С.И. Морозов, В.И. Новокович, С.П. Першин и другие. К зарубежным ученым, работавшим над проблемой устойчивости бесстыкового пути, относятся О. Амман, М. Буках, К. Грюневальдт, Д. Игнятич, Г. Майер, Нгуен Ван Туен, Й. Немешди-Немчек, Э. Немежди, А. Блох, Г. Зенден, М. Нумата, Р. Леви, Г. Рубин, М. Мартине, Л. Сакмауер, Э. Энгель, Д. Бертлетт, Д. Тоура, А. Керр, J1.A. ван Хенструм и другие.

При проведении анализа было выявлено три основных направления обеспечения устойчивости бесстыкового пути (рис. 2).

Проведен анализ основных методов и систем, предназначенных для определения напряженного состояния бесстыкового пути. Выделено две основных системы по определению напряженного состояния бесстыкового пути:

- периодическая система контроля напряжений;

- система постоянного мониторинга напряжений.

Сделан вывод о том, что наиболее перспективными системами являются системы постоянного мониторинга напряжений в режиме реального времени. Применение подобных систем позволит получать данные о напряженном состоянии бесстыкового пути на протяжении всего периода их эксплуатации. Это позволяет оперативно реагировать в случае превышения допустимых значений напряжений и применять необходимые меры для нейтрализации создающейся опасности выброса пути или разрыва рельсовых плетей.

За последнее столетие было создано большое количество различных методов определения устойчивости бесстыкового пути. Все методы расчета в разной степени отражают фактическое состояние пути. К основным методам расчета можно отнести следующие:

- энергетические методы;

- методы дифференциальных уравнений;

- методы расчета устойчивости бесстыкового пути, основанные на имитационном моделировании;

- методы определения устойчивости бесстыкового пути посредством конечно-элементного моделирования.

Определены основные преимущества и недостатки каждого из методов, а также сделан вывод о том, что определения устойчивости бесстыкового пути посредством конечноэлементного моделирования является наиболее адекватным, так как позволяет использовать расчетные схемы, отражающие действительные характеристики пути.

Произведен анализ основных способов увеличения устойчивости бесстыкового пути. При анализе было выделено два основных направления:

- повышение устойчивости пути за счет увеличения мощности подрельсовых опор;

- повышение устойчивости пути за счет балластного слоя.

Выявлены основные проблемы повышения устойчивости и стабильности работы за счет подрельсового основания и выделено перспективное направление его усиле-

ния.

Рис. 2. Схема основных направлений по обеспечению устойчивости бесстыкового пути Во второй главе разработана методика измерения напряжений в плетях бесстыкового пути на основе известного метода акустоупругости. Произведено описание метода акустоупругости и его математических основ. Определены основные расчетные схемы для определения одноосного напряжения, определяемого для рельса.

Приведено описание экспериментального исследования по определению напряжений в плетях бесстыкового пути методом акустоупругости, а также результаты сравнения полученных данных с теоретическими расчетами.

Определены виды работ по подготовке поверхности рельса для установки датчика, а так же необходимый инструмент для выполнения этих работ. Подобрана контактная жидкость, обеспечивающая достаточно хороший акустический контакт, являющийся достаточным для проведения измерений.

Экспериментальное определение напряжений производилось двумя способами: со снятием датчика в периодах между измерениями и без снятия.

В результате проведенного анализа экспериментальных данных выявлено, что наиболее применимым способом измерения напряжений является способ акустической тензометрии (АТ), при измерении напряжений которым измеренные временные задержки разделяются на «начальные» и «рабочие», произведенные до и после изменения температуры рельсовой плети. Алгоритм проведения измерений приведен на рис. 3.

Система уравнений акустоупругости для определения главных напряжений, действующих вдоль оси симметрии рельса, по результатам измерения времени распространения упругих волн, имеет следующий вид:

Ч ьо (1)

к2 • + ^ • а2 = — 1,

где Ь0, Ь - путь распространения волн до и после возникновения напряжений, пропорциональный толщине материала;

~ время, за которое этот путь пройден;

к1(к2 - коэффициенты акустоупругой связи, характеризующие изменение скорости упругих волн при изменении напряжения на 1 МПа;

ст1(а2- напряжения, действующие вдоль оси симметрии рельса.

Одноосные напряжения, действующие вдоль оси рельса, можно найти после математического преобразования системы уравнений (1). Формула для определения напряжений, действующих в рельсе вдоль его оси, будет иметь следующий вид:

(2)

а1= 1 Г^01 1)

кх — к2 ч^ 102 /

При I = 2, пренебрегая членами второго порядка по отношению к величинам — — 1, получим соотношение (3), позволяющее непосредственно определить одноосное напряжение, действующее в направлении поляризации сдвиговой волны, на основе явления акустического двулучепреломления:

10

«Ti = D(a - a0), (3)

где D = , 1 = Ki + K2, a = a0 = 2 t(" - параметры акустической анизо-

Ki-kj t2 t02

тропии материала до и после возникновения искомого напряжения.

KjH К2 - коэффициенты упругоакустической связи (КУАС) материала.

Рис. 3. Алгоритм проведения измерений напряжений в рельсовой плети методом акустоупругости

Для проведения измерений напряжений в рельсах автором было предложено использовать прибор «ИН-5101» (разработка «ИНКОТЕС», г. Нижний Новгород). Данный прибор используется в промышленности для измерения напряжений в трубопроводах и сосудах высокого давления.

В результате проведенной серии измерений была получена зависимость изменения напряжений от изменения температуры рельса (рис. 4).

«Эталонные» измерения проводились при температуре 25 °С, при данной температуре являющейся температурой закрепления, напряжения в рельсе при расчетах принимались равными нулю.

Температура рельса в момент измерения, °С -о-Значения напряжений, полученные в результате расчета, МПа -означения напряжений, полученные в результате измерений, МПа

Рис. 4. Сравнительный график напряжений, полученных в результате расчетов, и измеренных средних значений

Измерения производились в два этапа: при повышении температуры рельса относительно температуры закрепления (26, 27, 30, 33, 35 °С) и при понижении темпе- ) ратуры рельса относительно температуры закрепления (23, 22, 20, 17, 16, 15, 13, 10 °С). Измерения проводились при фиксации значений температуры рельса при помощи цифрового термометра с точностью в 0,1°С. 1

Для сравнения полученных данных была выполнена статистическая проверка сходимости результатов полученных экспериментальным и расчетным путем.

Для определения достоверности полученных данных был определен ^критерий | Стьюдента при уровне значимости 0,05.

Правомерность применения ^критерия Стьюдента подтверждается выполнением двух необходимых условий:

- все измерения принадлежат к одной генеральной совокупности;

- данные, полученные в результате экспериментов, распределены по нормальному закону распределения. 1

В результате проведения расчетов I - критерия Стьюдента были получены следующие показатели (таблица 1).

Таблица 1

Таблица основных значений полученных в результате расчета парного двухвыборочного І - критерия Стьюдента

Расчетные данные Измеренные данные

Среднее значение 5,666667 4,5

Дисперсия 350,4167 350,000

Количество наблюдений 15 15

Число степеней свободы 28

Эмпирическое значение Ькритерия (1эмп) 0,170732

Критическое значение ^критерия ({кр) 2,048407

На основании проведенного расчета по определению (-критерия Стьюдента можно сделать вывод о том, что разница между данными полученными экспериментальным и расчетным путем незначительна, так как 1эмп < 1кр.

В результате анализа полученных данных после проведения измерений каждым из способов сделан вывод о том, что при проведении экспериментов без снятия совмещенного двухкомпонентного пьезоэлектрического датчика точность получаемых данных повышается в среднем на 3,0 МПа.

Определены рациональные сферы применения системы мониторинга напряженного состояния бесстыкового пути, основанных на методе акустоупругости.

Предложена система постоянного мониторинга напряженного состояния бесстыкового пути, основанная на методе акустоупругости. Сформулированы основные рекомендации, которые должны быть учтены при создании предлагаемой системы.

Третья глава посвящена исследованию влияния наработанного тоннажа на устойчивость бесстыкового пути в послеремонтный период.

При повышении температуры рельсовой плети выше температуры ее закрепления в плети возникают сжимающие усилия, что при несоблюдении норм текущего содержания может привести к выбросу бесстыкового пути. Особенно низкой устойчивостью к выбросу обладают участки железнодорожного пути с разрыхленным балластом. Разрыхление балласта происходит вследствие проведения на участке ремонта с поднятием рельсошпальной решетки либо выправки со сплошной подбивкой шпал. В послеремонтный период эксплуатации пути подобные участки требуют наблюдения с особой бдительностью.

Увеличение устойчивости пути после ремонта объясняется тем, что происходит уплотнение балласта под динамическим воздействием поездов на путь.

Для определения характеристик устойчивости пути после ремонта было использовано конечно-элементное моделирование в программном комплексе МЗС/Ыаэ^ап

с использованием функциональных зависимостей перемещения железобетонных шпал поперечной нагрузке. Для выявления необходимых для моделирования устойчивости пути зависимостей были проведены эксперименты по их определению. Для этого были выбраны экспериментальные участки, располагающиеся на ВСЖД - филиале ОАО «РЖД». Выбранные участки отличались друг от друга количеством наработанного ими тоннажа (0, 5, 50, 120 млн. т. брутто), при этом шпалы, балласт, скрепления были одного вида.

0 млн. т. брутто 5 млн. т. брутто

50 млн. т. брутто 120 млн. т. брутто

Рис. 5. Зависимости перемещений железобетонной шпалы от поперечной нагрузки

В результате проведенных экспериментов и последующей статистической обработки данных были получены зависимости, представленные на рис. 5. На данных ри-

сунках представлена выборка средних значений сопротивления железобетонных шпал поперечной нагрузке.

В качестве дополнительного фактора, влияющего на устойчивость бесстыкового пути, было произведено определение остаточных перемещений железобетонной шпалы, образующихся после снятия поперечной нагрузки. Для этого было проведено экспериментальное определение величины упругого отпора железобетонных шпал при действии поперечной нагрузки. В результате статистической обработки данных эксперимента был получен график остаточных перемещений железобетонной шпалы образующихся после снятия поперечной нагрузки (рис. 6).

При анализе графика было установлено, что появление остаточных перемещений наблюдается даже при незначительных нагрузках, а также был установлено, что с увеличением пропущенного тоннажа по участку величина остаточных перемещений снижается.

Рис. 6. График остаточных перемещений железобетонной шпалы после снятия поперечной к оси пути нагрузки

Для проведения моделирования устойчивости бесстыкового пути на участках с различным пропущенным тоннажем были построены соответствующие модели, имеющие различные функции сопротивления подрельсовых оснований.

Описание моделей бесстыкового пути

Модели бесстыкового пути, созданные для анализа устойчивости на участках пути с различным пропущенным тоннажем, были построены в соответствии с методикой, разработанной O.A. Сусловым.

При расчетах конечно-элементных моделей используется следующее уравнение равновесия:

где Vu - тензорный оператор;

D - упругая константа тела;

q - внешняя нагрузка, распределенная по объему тела;

р - нагрузка, распределенная по поверхности тела.

Согласно ТУ-2000, появление на бесстыковом пути искривлений пути в плане обеих рельсовых нитей величиной 10 мм на длине 10 м необходимо расценивать как возможное начало выброса. Исходя из этого, при анализе данных, получаемых при моделировании участков бесстыкового пути, потерей устойчивости считалось сдвижка обеих рельсовых нитей на величину более 10 мм.

Для оценки устойчивости бесстыкового пути было создано 4 модели бесстыкового пути, имеющих следующие значения радиусов: 250, 350, 500 и 800 м. Конечно-элементная модель бесстыкового пути имеет вид, приведенный на рис. 7, 8.

/v DVU • 6(Vu)dV = /у q • 6udV + /s p ■ 6udS,

(8)

Рис. 7. Фрагмент конечноэлементной модели бесстыкового пути

Рис. 8. Общий вид конечно-элементной модели бесстыкового пути

Результат проведенного моделирования устойчивости бесстыкового пути на участках с различным пропущенным тоннажем

В результате моделирования устойчивости бесстыкового пути были получены значения температуры, при которой путь теряет устойчивость.

В результате статистической обработки данных, полученных путем моделирования устойчивости бесстыкового пути, были построены графики зависимостей температуры выброса плети от наработанного участками тоннажа (рис. 9).

Пропущенный по участку тоннаж, млн т брутто

•й-Кривая радиусом 250 м -О-Кривзя радиусомЗБОм О-Кривая радиусом 500 м -О-Кривая радиусом 800 м

Рис. 9. График увеличения температуры выброса при увеличении наработанного тоннажа в кривой радиусом 250, 350, 500 и 800 м

В результате моделирования устойчивости бесстыкового пути на участках с различным значением пропущенного тоннажа было выявлено, что при увеличении пропущенного тоннажа с 0 до 120 млн т брутто устойчивость бесстыкового пути увеличивается на 38 и 31% в кривых радиусом 250 и 800 м соответственно.

В четвертой главе описан разработанный способ увеличения устойчивости бесстыкового пути, а также его экспериментальное исследование, проведенное в лабораторных условиях.

Для повышения устойчивости бесстыкового пути было предложено использовать металлические стержни, вкручиваемые в железобетонную шпалу.

Предложенное устройство (рис. 10) позволяет при незначительном увеличении стоимости верхнего строения пути увеличить устойчивость бесстыкового пути при действии в плетях больших сжимающих напряжений.

17

1< йШМШ - а*

Рис. 10. Металический стержень, предназначенный для вкручивания в железобетонную шпалу

На рис. 11 показан металлический стержень 1, вкрученный верхней своей частью в шпалу 2 через специальное отверстие, а нижней частью находящейся в балласте 3.

Рис. 11. Схема расположения металлических стержней, вкрученных в железобетонную шпалу

Для определения эффективности предложенного способа повышения устойчивости бесстыкового пути было проведено экспериментальное исследование железобетонной шпалы с вкрученными в нее металлическими стержнями.

Экспериментальное исследование проводилось в лабораторных условиях, на специально оборудованном стенде, моделирующем участок пути длиной 2 м. Для создания участка пути были использованы железобетонные шпалы Ш-3 с промежуточными скреплениями ЖБР-65Ш. В результате определения удерживающей способности шпалы были получены соответствующие зависимости, средние значения которых представлены на рис. 12.

На основании анализа данных экспериментов по определению эффективности применения металлических стержней в качестве средства повышения устойчивости рельсошпальной решетки установлено, что сопротивление одной железобетонной шпалы (освобожденной от связи с рельсами) увеличивается в среднем на 200 кгс, что соответствует усилению бокового сопротивления пути на 3,7 и 4,0 кН/м при эпюре 1840 и 2000 шт./км соответственно.

Перемещение, мм

••• Жб шпала усиленная металлическими стержнями — —Жб шпала без усиления

Рис. 12. Зависимость перемещений от силы, приложенной к торцу железобетонной шпалы

Усиление устойчивости пути на протяжении всего нагружения представлено на рис. 13.

г

о

5 4

5 ё 2 о.

і і

о

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00

Перемещение, мм

Эпюра шпал 2000 ——Эпюра шпал 1840

Рис. 13. Увеличение поперечной устойчивости пути со шпалами, усиленными металлическими стержнями

Для сравнения величин упругого отпора железобетонных шпал типовой (Ш-3) и предлагаемой конструкции были проведены экспериментальные исследования по

разработанной методике. Исследования проводились в лабораторных условиях при устройстве рельсошпальной решетки подбивка шпал производилась электрошпало-подбойками, уплотнение плеча балластной призмы виброплитой.

В результате проведения экспериментальных работ были получены зависимости остаточных перемещений усиленной шпалы и шпалы типовой конструкции Ш-3 (Рис. 14).

от действия поперечной нагрузки Зависимости, приведенные на рис. 14 представляют собой выборку из средних значений при пошаговой нагрузке составляющей 0, 50, 100, 150, 200, 250 кг.

Из графика, представленного на рис. 14 , видно, что при действии одних и тех же нагрузок остаточные перемещения усиленной шпалы ниже, чем у шпалы без усиления, на величину до 0,6 мм. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что при применении предлагаемых устройств в качестве способа повышения устойчивости пути будет снижена скорость роста неисправностей пути в плане, что положительно отразится на эксплуатационных показателях пути.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие научные выводы и практические результаты:

1. На основании выполненного анализа существующих подходов к обеспечению устойчивости бесстыкового пути выявлено, что наиболее перспективными являются повышение устойчивости пути за счет увеличения мощности подрельсовых опор и степени уплотнения балластного слоя.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные измерения напряжений в плетях бесстыкового пути методом акустоупругости. Анализ величин напряжений полученных в результате экспериментальных измерений с данными полученными расчетным путем показал, что разница в напряжениях составляет не более 5%, что позволяет сделать вывод о достаточной точности результатов измерений. Предложена система постоянного мониторинга напряженного состояния бесстыкового пути, основанная на методе акустоупругости.

3. Определено влияние пропущенного тоннажа на устойчивость бесстыкового пути в послеремонтный период. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования по определению величин сопротивления и упругого отпора железобетонных шпал, освобожденных от связей с рельсами при действии сдвигающей нагрузки, направленной перпендикулярно к оси пути. В результате экспериментальных исследований и последующей статистической обработки данных установлено, что с увеличением пропущенного тоннажа погонное сопротивление пути увеличивается с 4,85 кН/м до 9,74 кН/м при изменении значения пропущенного тоннажа с О млн. т. брутто до 120 млн. т. брутто соответственно. Величина остаточных перемещений снижается с 0,72 мм до 0,06 мм при действии поперечной нагрузки 250 кг.

4. Усовершенствована существующая конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути, путем ввода экспериментально полученных нелинейных зависимостей сопротивления подрельсовых опор деформациям, зависящим от пропущенного тоннажа. В результате моделирования устойчивости бесстыкового пути на участках с различным пропущенным тоннажем было выявлено, что при увеличении пропущенного тоннажа с 0 до 120 млн т брутто устойчивость бесстыкового пути увеличивается на 38 и 31% в кривых радиусом 250 и 800 м соответственно.

5. Предложено устройство, позволяющее при незначительном увеличении стоимости ВСП увеличить устойчивость бесстыкового пути при действии в рельсах больших сжимающих усилий. Проведено экспериментальное исследование предлагаемого устройства. В результате статистической обработки результатов эксперимента определено, что железобетонная шпала с установленными устройствами оказывает сопротивление поперечной нагрузке в среднем на 200 кг больше, чем типовая, что способствует увеличению погонного бокового сопротивления пути на 3,70 и 4,0 кН/м при эпюре 1840 и 2000 шт./км соответственно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Карпов И.Г., Ковенькин Д.А., Полещук И.В., Лагерев С.Ю. Экспериментальные исследования влияния продольного модуля упругости пути на величину угоняющих сил II Развитие транспортной инфраструктуры Забайкалья - основа роста экономики Забайкальского края: сборник научных трудов 2-й Международной научно-практической конференции. - Чита: ЗабИИЖТ, 2008. - С. 121-130.

2. Карпов И.Г., Филатов Е.В., Лагерев С.Ю. Современные методы измерения напряжений в плетях бесстыкового пути // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог: труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Иркутск : ИрГУПС, 2009. - Т. 2. - С. 163-168.

3. Карпов И.Г., Филатов Е.В., Лопатин М.В. Акустический контроль напряжено-деформированного состояния бесстыкового пути // Ресурс и диагностика материалов и конструкций: тезисы V Российской научно-техническая конференции. -Екатеринбург, 25-29 апреля 2011. - С. 96.

4. Карпов И.Г., Филатов Е.В., Лагерев С.Ю. Диагностика напряженного состояния плетей бесстыкового пути // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы Второй межвузовской научно-практической конференции. - Иркутск, 16-18 октября 2011 г.- Иркутск: ИрГУПС, 2011. - В 6 т. - С. 470-475.

5. Karpov I.G., Filatov E.V., Lagerev S.U. Diagnostics of pressure in rails with an acoustic method // Problem and Prospects of Survey, Design, Construction and Mainte-nangce of Northeast Asia Transport Systems: Proceedings of the 3rd International Student and Postgraduate Research and Practice Conference. - Irkutsk, May 30, 2011. - Irkutsk : Irkutsk State Transport University, 2011. - P. 75-81.

6. Карпов И.Г., Ковенькин Д.А., Лагерев С.Ю., Филатов E.B. Устройство для повышения бокового сопротивления железобетонной шпалы Н Проблемы проектирования и строительства железных дорог: сборник научных трудов / под ред. B.C. Шварцфельда. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2011. - 154-161 с.

7. Карпов И.Г., Филатов Е.В., Лопатин М.В., Лагерев С.Ю. Измерение напряжений в плетях бесстыкового пути акустическим методом // Вестник транспорта Поволжья. -2012. -№ 1 (29). - С. 60-67.

8. Карпов И.Г. Влияние пропущенного тоннажа на упругий отпор железобетонных шпал при действии горизонтальной поперечной нагрузки // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. -2012. -№1. (33). - С. 182-185.

9. Карпов И.Г. Моделирование устойчивости бесстыкового пути на участках с различным значением пропущенного тоннажа // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. - №1. (33). - С. 193-196.

22

Карпов Иван Геннадьевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 07.03.2012 Тираж 100 экз.

Формат бумаги 60x84/16 Объем 1,5 п.л. Заказ №1753

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15, Типография ИрГУПС