автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Определение эффективного направления воздействия рабочего органа путевой машины на уплотняемый слой щебня

ВВЕДЕНИЕ. б

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРАКТИКИ И ТЕОРИИ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ БАЛЛАСТНОГО СЛОЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ МАШИНАМИ. II

1.1. Основные понятия, принятые для описания процесса взаимодействия уплотнительного рабочего органа путевой машины и щебеночного балластного слоя. П

1.2. Обоснование целей анализа существующей теории и практики процесса уплотнения щебеночного балластного слоя железнодорожного пути.

1.3. Анализ недостатков практики уплотнения щебеночного балластного слоя рабочими органами путевых машин.

1.4. Анализ недостатков теории процесса уплотнения щебеночного балластного слоя рабочими органами путевых машин.

1.5. Выводы по главе I."•.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ, ВЫЗЫВАЕМЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ ПУТЕВОЙ МАШИНЫ В ТЕКСТУРЕ ЩЕБЕНОЧНОГО БАЛЛАСТА.

2.1. Модель состояний щебеночного балластного слоя железнодорожного пути.

2.2. Постановка общей задачи исследования.

2.3. Изучение на плоской модели зернистой среды текстурных изменений щебеночного баллаЪта при его виброобжатии уплотнительным рабочим органом путевой машины.

2.4. Анализ показателей гранулометрического состава и формы частиц используемого в исследованиях щебеночного балласта.

2.5. Характеристики положения в пространстве взятой произвольно частицы щебеночного балласта.

2.6. Изменение текстуры щебеночного балласта при виброобиаъии уплотнительным рабочим органом путевой машины.

2.7. Связь показателей упорядоченности и ориентации текстуры с показателями плоиности щебеночного балласта.

2.8. Представление изменений текстуры щебеночного балласта при виброобжатии уплотнительным рабочим органом путевой машины моделью случайного процесса.

2.9. Выводы по главе 2.10/f

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.1°б

3.1. Цель и сущность эксперимента.

3«2. Обоснование функциональных свойств экспериментальной установки.

3.3. Блок-схема экспериментальной установки.

3.4. Конструкция экспериментальной установки.

3.5. План эксперимента.

3.6. Методика выполнения отдельного опыта эксперимента.

3.7. Методика первичной обработки данных эксперимента.

3.6. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗМЕНЕНИЙ, ВЫЗЫВАЕМЫХ УПЛОТНИТЕЛЬ-НЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ ПУТЕВОЙ МАШИНЫ В ТЕКСТУРЕ ЩЕБЕНОЧНОГО БАЛЛАСТА.

4.1. Анализ взятых усредненно по емкости изменений текстуры используемой в эксперименте массы щебеночного балласта при виброобжатии.

4.2. Анализ изменений текстуры используемой в эксперименте массы щебеночного балласта в срединном объеме при виброобжатли.

4.3; Анализ линейного распределения параметров упорядоченности текстуры используемой в эксперименте массы щебеночного балласта в срединном объеме при виброобжатии.

4.4» Анализ линейного распределения плотности используемой в эксперименте массы щебеночного балласта в срединном объеме при виброобжатии.

4.5. Связь показателей упорядоченности текстуры и плотности щебеночного балласта при виброобжатии.

4.6. Оценка поведения используемой в эксперименте массы щебеночного балласта по отклонениям упруго смещаемых пластин.

4; 7. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРАКТИКЕ И ТЕОРИИ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ БАЛЛАСТНОГО СЛОЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ МАШИНАМИ.

5.1. Рекомендации по конструктивному совершенствованию виброуплотнителей торцовой подбивки машины ВПО-ЗООО.

5.2. Рекомендации по использованию результатов исследований для поиска перспективных конструктивных решений уплотнительных рабочих органов путевых машин.

Среди всех видов транспорта в СССР железнодорожный является ведущим. Это определяет большую заботу и внимание к его развитию со стороны Коммунистической Партии и Советского Правительства.

Основные задачи, стоящие перед железнодорожным транспортом на 11-ю Пятилетку (рост грузооборота на 14-15$, пассажиро-оборота на 9введение в эксплуатацию 3,6 тыс. км новых линий и 5 тыс. км вторых путей, открытие сквозного движения по БАМу / I /) а также на перспективу до 1990 года, были поставлены ХХУТ съездом КПСС. В последние годы ЦК КПСС принято ряд постановлений, направленных на преодоление имеющих пока место недостатков и коренное улучшение эксплуатационной работы железных дорог.

Освоение растущего объема перевозок идет в основном на уже существующей сети путем увеличения массы и числа поездов, а также скоростей их движения. Это обуславливает повышенные требования к надежности элементов системы "подвижной состав -- путь" и, в частности, к балластному слою. Иначе говоря, поведение балластного слоя под поездной нагрузкой должно быть работоспособным.

Повсеместно применяемая отечественная (а также зарубежная) технология работ по достижению работоспособного поведения балластного слоя под поездной нагрузкой предусматривает его уплотнение специализированными путевыми машинами с последующей подбивкой электрошпалоподбойками, а также обкатку пути поездами, следующими с ограниченной скоростью. При этом объем затрат, связанных с использованием дополнительной рабочей силы и ограниченим на период обкатки пропускной способности участка, велик и для грузонапряженных линий может превысить затраты на непосредственную работу машин. Поэтому вопросы повышения качества уплотнения являются актуальными1,

Эксплуатируемые в настоящее время уплотнительные путевые машины (шпалоподбивочные, машины для уплотнения плече-откосной и междупутной зон балластной призмы и другие), реализующие в подавляющем большинстве метод виброобжатия балластного слоя, не обеспечивают работоспособного поведения балластного слоя под поездной нагрузкой. Иначе говоря, они оборудованы пока еще не вполне совершенными рабочими органами»

Ввиду недостаточной изученности процессов, происходящих при взаимодействии уплотнительного рабочего органа путевой машины и щебеночного балластного слоя, целенаправленный поиск оптимальных конструктивных решений затруднен. Уплотнение же связано, в первую очередь, с изменениями текстуры, то есть с изменениями взаимного положения слагающих слой частиц. У щебеночного балласта; получившего широкое распространение на сети железных дорог СССР, текстура изучалась мало. Исследования в значительной мере затруднены, во-первых, разнообразием форм и размеров частиц и, во-вторых, варьированием их текстурных построений внутри массы балласта.

Балластный слой под поездной нагрузкой должен иметь максимально устойчивую и неизменную текстуру. Следовательно, цель силового воздействия на балластный слой уплотнительным рабочим органом путевой машины заключается в получении текстуры, наиболее устойчивой по отношению к поездной нагрузке. Текстура же балластного слоя, как показано в нашей работе, определяется, прежде всего, выбором направления силового воздействия рабочего органа.

Цель настоящей работы состоит в том, чтобы на основе теоретических и экспериментальных исследований изменения текстуры массы путевого щебня стандартного гранулометрического состава при горизонтальном виброобжатии обосновать выбор направления силового' воздействия на балластный слой уплотнительными рабочими органами путевых машин.

Методика исследований предусматривает на основе выдвинутых гипотез теоретический анализ изменений текстуры путевого щебня при его виброобжатии рабочим органом путевой машины, а также экспериментальную проверку в лабораторных условиях на физической модели разработанных теоретических положений.

Для достижения поставленной в работе цели впервые выполнено следующее:

- разработана теоретическая вероятностная модель изменений текстуры щебеночного балласта, состоящего из частиц с выраженной удлиненностью формы? при виброобжатии уплотнительным рабочим органом путевой машины;

- разработаны показатели упорядоченности и ориентации текстуры щебеночного балласта после заданных силовых воздействий ;

- изложена методика экспериментального определения распределения показателей упорядоченности и ориентации текстуры и показателей, связанных с соотношением объемов пор и скелета щебеночного балласта, подвергнутого виброобжатию рабочим органом путевой машины;

- установлены закономерности изменения текстуры на докри-тическом и послекритическом этапах поведения щебеночного балласта, подвергаемого виброобжатию уплотнительным рабочим органом путевой машины, а также особенности его критического состояния ;

- установлена корреляционная связь и проанализирован характер ее изменения между показателями упорядоченности текстуры и пористостью щебеночного балласта при горизонтальном виброобжатии уплотнительным рабочим органом путевой машины;

- изложена методика выбора направления силового воздействия на щебеночный балластный слой железнодорожного пути уплот-нительными рабочими органами путевых машин.

На защиту выносятся:

1. Рекомендации по выбору параметров уплотнительных рабочих органов путевых машин, связанных с выбором направления силового воздействия на щебеночный балластный слой железнодорожного пути, в частности, рекомендации по выбору оптимального угла наклона уплотнительных поверхностей виброуплотнителей машины ВПО-ЗООО к вертикальной плоскости.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований изменений текстуры щебеночного балласта при его виброобжатии уплотнительным рабочим органом путевой машины.

3. Методика экспериментального определения показателей текстуры и показателей, связанных с пористостью щебеночного балласта при его виброобжатии уплотнительным рабочим органом путевой машины.

Исследования выполнены на кафедре "Строительные и дорожные машины и оборудование" ЛИИЖТа под руководством доктора технических наук, профессора А,В.Каракулева.

Результаты исследований апробированы на ХХУШ научно-технической конференции путейцев Октябрьской ордена Ленина железной дороги совместно с научными сотрудниками ЛИИЖТа по вопросам путевого хозяйства 8 апреля 1982 г. и реализованы при изготовлении виброуплотнителей торцовой подбивки машины ВПО-3000 с измененными геометрическими параметрами на Пушкинском путевом ремонтно-механическом заводе (ПРМЗ-З) по заказу Октябрьской ордена Ленина железной дороги, а также основные теоретические результаты используются в учебном процессе на кафедре "Строительные и дорожные машины и оборудование" ЛИМТа при преподавании курса "Путевые машины" студентам специальности 0511 "Строительные и дорожные машины и оборудование".

ГЖВА I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРАКТИКИ И ТЕОРИИ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ БАЛЛАСТНОГО СЛОЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ МАШИНАМИ

I.I. Основные понятия, принятые для описания процесса взаимодействия уплотнительного рабочего органа путевой машины и щебеночного балластного слоя

С целью изучения процесса уплотнения щебеночного балластного слоя железнодорожного пути машинами необходимо предварительно определить ряд понятий, не нашедших в настоящее время достаточно полного отражения в технической литературе.

С позиций диалектического материализма балластный слой можно рассматривать как одну из форм материи, а изменение его состояний - как конкретную форму движения. В.И.Ленин /2 / определил движение таким образом: "Движение есть единство непрерывности (времени и пространства) и прерывности (времени и пространства). Движение есть противоречие, есть единство противоречий". Используя это положение, можно заключить, что при силовом воздействии уплотнительным рабочим органом машины, а также движущимися поездами (в более общем случае при действии ряда других факторов) на слой балласта его состояние есть та сторона движения, которая отражает прерывность, а изменение состояний (переход состояний из одного в другое) - непрерывность. Конкретную форму движения - движение балластного слоя будем называть при дальнейшем изложении его поведением.

Определить (отразить в виде научного знания) состояние балластного слоя - значит найти его качественные и количественные характеристики в некоторый момент времени t , а определить поведение - найти не только сами характеристики, но и законы их изменения во времени.

Поведение балластного слоя определяется рядом факторов, связанных с воздействием на него рабочими органами машин, движущимися поездами, окружающей природной среды и других. В соответствии с постановкой задачи настоящего исследования, которая заключается в обосновании выбора направления силового воздействия на щебеночный балластный слой уплотнительными рабочими органами путевых машин, реализующими принцип виброобжатия, в работе преимущественно рассматриваются факторы, непосредственно связанные с процессом взаимодействия рабочего органа и слоя. Цель такого воздействия заключается в обеспечении требуемого поведения уплотненного слоя под движущимися поездами.

В работе / 17 /, например, сформулировано, что балластный слой должен обеспечивать:

- восприятие упруго вертикальных и горизонтальных составляющих поездной нагрузки на рельсошпальную решетку;

- рспределение равномерно давления от шпалы на возможно большую площадь основной площадки земляного полотна;

- амортизацию ударов колес подвижного состава о рельсы-;

- возможно большую равномерность упругих и остаточных осадок вдоль и поперек пути;

- хороший отвод воды с основной площадки земляного полотна;

- большое электрическое сопротивление на участках, оборудованных автоблокировкой, и, по возможности, не зависящее от метеорологических условий.

Этим, естественно, не исчерпываются все требования к поведению балластного слоя под движущимися поездами, так как ежегодно растут интенсивность и скорости движения, приходится вводить новые требования к работоспособности, безотказности и др.

Работоспособный балластный слой - слой, поведение которого под поездной нагрузкой удовлетворяет заранее заданным директивным требованиям, обеспечивающим безопасное движение поездов с заданными осевыми нагрузками и скоростями.

Неработоспособный балластный слой - слой, поведение которого не удовлетворяет указанным требованиям.

Работоспособное и неработоспособное поведения балластного слоя - поведения, соответственно, работоспособного и неработоспособного слоя под движущимися с заданными осевыми нагрузками и скоростями поездами.

Работоспособное и неработоспособное состояния балластного слоя - состояния, являющиеся прерывными моментами, соответственно, работоспособного и неработоспособного поведений.

Как отмечается в большинстве работ, проанализированных ниже с точки зрения недостатков практики и теории уплотнения, эффект уплотнения щебня проявляется в смещении частиц друг относительно друга, то есть в изменении текстуры. Из этого следует, что характеристиками состояния являются показатели текстуры, а поведения - показатели изменения текстуры. При силовом воздействии на балластный слой в нем возникает определенная картина распределения усилий между частицами,- которую в случае неизменной текстуры можно путем соответствующих выкладок свести по требуемым основным свойствам к картине распределения напряжений / 25,37,51 /. Это означает, что характеристиками состояния могут также служить показатели поля напряжений, а поведения - показатели, характеризующие изменение этого поля во времени.

Другими показателями состояния балластного слоя являются размеры балластной призмы, характеристики упругих свойств, плотности, электропроводности и др. в заданный момент времени, а их изменение во времени являются показателями поведения.

Необходимо отметить, что щебеночный балластный слой, или некоторая выделенная в нем масса при силовом воздействии для получения необходимой точности результатов исследований во многих случаях должна рассматриваться как система с распределенными параметрами. Состояние такой системы описывается значениями параметров каждой точки внутри объема, занимаемого ею. В отличие от системы с сосредоточенными параметрами, у которой для описания ее состояния достаточно указать конечное число цифровых данных, система с распределенными параметрами требует привести бесконечное число данных, так как рассматриваемая область имеет бесконечное число точек. Состояния таких систем описываются функциями распределения параметров по пространственной области, а их поведение, как правило, дифференциальными уравнениями в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями / 63 /.

Щебень, используемый для отсыпки балластного слоя железнодорожного пути / 17,31 /, состоит из частиц, как правило, гранитной или известняковой породы. Поведение щебеночного балластного слоя определяется поведением слагающих его частиц. Поэтому для изучения процессов взаимодействия уплотнительного рабочего органа путевой машины и щебеночного балластного слоя необходимо, в первую очередь, рассмотреть поведение взятой произвольно частицы. Поскольку частица берется произвольно, то поведение рассматриваемой массы балласта в слое будет описываться соответствующими случайными процессами как некоторая сумма поведений частиц.

Состояние произвольно взятой частицы определяется:

- ее положением относительно выбранной системы координат;

- действующими на частицу силами;

- внутренними напряжениями и деформациями частицы;

- электрическим сопротивлением частицы и др.

В настоящей работе рассматриваются, в первую очередь, изменения положений частиц относительно выбранной системы координат, в сумме дающие изменения текстуры массы щебня в процессе виброобжатия уплотнительным рабочим органом путевой машины.

Понятия работоспособного и неработоспособного поведения и состояния взятой произвольно частицы не имеют физического смысла, так как воспринимает нагрузку весь балластный слой как совокупность, а не отдельная частица, которая в отдельных случаях даже может быть и не нагружена.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В условиях возрастающей грузонапряженности, увеличения скоростей движения и осевых нагрузок поездов возрастает значение качественного уплотнения машинами щебеночного балластного слоя железнодорожного пути. Анализ конструкций и работы известных уплотнительных рабочих органов путевых машин показал, что сразу после уплотнения ими балластного слоя не обеспечивается требуемая работоспособность пути, из-за чего приходится производить дополнительные работы с привлечением рабочей силы и ограничивать на некоторое время скорость движения поездов.

2. Поиск предпочтительных конструкций уплотнительных рабочих органов путевых машин, реализующих принцип виброобжатия, ввиду недостаточной изученности процессов их взаимодействия со щебнем и его текстурных изменений, являющихся основным физическим результатом уплотнения, пока затруднен.

3. Выполненными исследованиями установлено, что работоспособность щебеночного балластного слоя, уплотненного рабочими органами путевых машин, зависит от направления виброобжатия и, как следствие, связана с упорядочением и ориентацией текстуры щебня.

4. На основании разработанной вероятностной модели процесса уплотнения предложены и количественно оценены характеристики упорядоченности и ориентации текстуры щебня, соответствующие его определенному состоянию, при виброобжатии рабочим органом машины, а также дифференциальные характеристики поведения.

5. Разработанная методика измерения показателей упорядоченности и ориентации текстуры, которую рекомендуется использовать в научных исследованиях, позволяет оценить эффективность уплотнения щебеночного балластного слоя железнодорожного пути рабочими органами машин и оптимизировать их параметры.

6. Проведенные эксперименты позволили найти распределение показателей упорядоченности текстуры и объемной плотности вдоль направления виброобжатия и рекомендовать при назначении параметров уплотнительных рабочих органов путевых машин избегать степеней виброобжатия Е ^ 0,04.

7. Для получения требуемой текстуры рекомендовано выполнять рабочие поверхности клиньев основных виброуплотнителей выправоч-но-подбивочно-отделочной машины ВП0-3000 наклонными к вертикальной плоскости под углом 5 = (0,139 - 0, 209) рад или 60ПТ = (8 -12)°. Рекомендации использованы при изготовлении на Пушкинском путевом ремонтно-механическом заводе ПРМЗ-З виброуплотнителей по заказу Октябрьской ордена Ленина железной дороги. Ожидаемый экономический эффект на одну машину составляет 19,3 тыс. руб в год.

8. Результаты настоящих исследований рекомендуется использовать для дальнейших научных поисков общей реологической модели процесса уплотнения щебеночного балластного слоя путевыми машинами, которая позволит надежно прогнозировать и оптимизировать свойства их уплотнительных рабочих органов.

201

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Используемые в практике уплотнения щебеночного балластного слоя железнодорожного пути рабочие органы путевых машин не обеспечивают его работоспособного поведения под движущимися поездами, что выражается в интенсивном и неравномерном накоплении осадок рельсошпальной решетки вследствие необратимых деформаций балластного слоя.

Изменения, происходящие при необратимых деформациях балластного слоя под воздействием уплотнителы-шх рабочих органов машины или движущихся поездов, связаны с изменением взаимного относительного положения частиц, то есть с изменениями текстуры щебня. Вместе с тем, анализ проведенных ранее исследований процесса уплотнения машинами щебеночного балластного слоя железнодорожного пути показал, что эффект уплотнения в подавляющем большинстве исследований связывался с изменениями соотношения объемов пор и скелета. В соответствии с этими представлениями разрабатывались модели процесса и обосновывались параметры рабочих органов.

Практика использования уплотнительных рабочих органов путевых машин показывает, что их дальнейшее конструктивное совершенствование сдерживается недостатком знаний о текстурных перестройках, происходящих в щебеночном балластном слое при его уплотнении. Поэтому в нашей работе изучаются изменения текстуры путевого щебня стандартного гранулометрического состава при горизонтальном виброобжатии, имитирующем воздействие уплотнительного рабочего органа путевой машины. Цель такого исследования заключается в обосновании на новой научной основе направления виброобжатия щебеночного балластного слоя железнодорожного пути уплотнительными рабочими органами машин.

В работе использовалась экспериментальная установка с емкостью для размещения используемой в эксперименте массы щебня, стенки которой выполнены из упруго смещаемых и не смещаемых пластин, и системой силового воздействия на щебень, включающей пуансон, соединенный неподвижно с вибровозбудителем, и устройства горизонтальной подачи пуансона. Экспериментальная установка позволила реализовать факторы вибрирования пуансона, соответствующие оптимальным значениям параметров рабочих органов / 68 /, а именно: Д = (0,00321 - 0,00037; 0,00321 + 0,00037)м - размах варьирования амплитуды колебаний с вероятностью р = 0,95, U) = 195,7 рад/с - угловая частота колебаний, а также обеспечить варьирование величины захода пуансона в пределах 2 = (0,00 - 0,08) м.

В нашей работе предложены характеристики для описания свойств текстуры щебеночного балластного слоя железнодорожного пути, состоящего из частиц с выраженной удлиненностью формы, а также изложена методика их экспериментального определения после уплотнения машиной или обкатки поездами. Методика позволяет изучить распределение параметров, характеризующих текстуру щебня, в том числе и параметров, связанных с пористостью, по объему слоя.

Установлено, что текстура щебеночного балласта характеризуется определенной упорядоченностью и ориентацией. Предложено упорядоченность текстуры описывать матрицей ковариаций [Д^] (см. формулу 2.17) углов оLx ,oLz,ot3 (см. рис. 2.16) наклона большей Ql и средней главных осей частиц, аппроксимированных эллипсоидами, к соответствующим координатным плоскостям, которая была названа матрицей упорядоченности текстуры, а ориентацию текстуры - вектором ориентации [Mil (си. формулу

2.19), компоненты которого равны математическим ожиданиям названных углов. Обобщенно упорядоченность текстуры предложено характеризовать определителем матрицы упорядоченности текстуры. Эти показатели предложено использовать для оценки эффективности уплотнения щебеночного балластного слоя железнодорожного пути рабочими органами машин.

Процесс изменения текстуры путевого щебня при виброобжатии уплотнительным рабочим органом путевой машины в функции величины обжатия описывается аналогом трехмерного диффузионного гауссовского случайного процесса (см. формулы 2.20 и 2.21), компонентами которого являются углы об, , oLz , оС^ , характеризующие угловое положение в пространстве взятой произвольно частицы. В качестве дифференциальных характеристик процесса уплотнения предложено использовать матрицу коэффициентов упорядочения текстуры СЙК£,3 (матрицу коэффициентов диффузии) и вектор переориентации текстуры tCtil » что позволяет для нао хождения текущих значений характеристик текстуры при виброобжатии щебня уплотнительным рабочим органом путевой машины использовать уравнение Колмогорова (см. формулу 2.22).

С использованием разработанной в нашей работе методики через анализ показателей упорядоченности текстуры экспериментально подтвержден изученный различными авторами / 41, 42 / факт наличия при виброобкатии уплотнительным рабочим органом путевой машины двух этапов поведения путевого щебня: докрити-ческого ("фазы упаковки") и послекритического ("фазы сдвигов"), между которыми находится критическое состояние ("фаза стабилизации"). В дополнение к известному ранее явлению экспериментально установлено, что докритическое поведение путевого щебня при таком виброобжатии характеризуется стремлением дисперсий углов ol, , о£2 , ot3 f характеризующих угловое положение в пространстве взятой произвольно частицы, к некоторым экстремальным значениям ( D^ = 0,3367 рад2, В3 = О, 5115 рад2 для захода пуансона стенда t ^ 0,06 м, соответствующего критическому состоянию, как показано на рис. 4.1 для всей используемой в эксперименте массы щебня), после чего при дальнейшем увеличении степени виброобжатия (этап поелекритяческого, поведения) наблюдалось изменение характера монотонности. Указанным зависимостям не подчинялась только дисперсия JJ, угла об, , характеризующего наклон большей оси взятой произвольно частицы к плоскости, перпендикулярной направлению виброобжатия. Она с увеличением захода пуансона монотонно уменьшалась. Для объяснения последнего факта требуются дополнительные исследования силовых взаимодействий между частицами с учетом их формы в процессе уплотнения.

На основе анализа изменений углов ol, , о6г , об^ экспериментально подтвержден факт стремления взятой произвольно частицы щебеночного балласта при виброобжатии уплотнительным рабочим органом путевой машины установиться большим сечением перпендикулярно направлению виброобжатия.

Нашими исследованиями установлено, что при относительно небольшой степени виброобжатия щебеночного балластного слоя железнодорожного пути рабочим органом путевой машины (степень обжатия £ с 0,04) уплотнение в основном происходит за счет придания частицам, находящимся в непосредственной близости от' вибрирующей поверхности рабочего органа, кинетической энергии, расходуемой как на их поступательное перемещение, так и на вращение преимущественно вокруг большей главной оси. При этом за счет значительной неустойчивости текстуры по отношению к силовому воздействию наблюдается повышенная неравномерность большинства показателей упорядоченности текстуры и плотности (см. рис. 4.II и 4.13), превышающая первоначальную до уплотнения в 1,5 - 3,2 раза. По мере увеличения степени виброобжатия эффект уплотнения начинает в большей степени определяться кинематическими особенностями взаимных связей между частицами, обусловленными их формой и положением друг относительно друга. При этом неравномерность распределения вдоль направления силового воздействия как показателей упорядоченности текстуры, так и показателей пористости и плотности значительно, в 2,5 - 4,6 раза, уменьшается. Это означает, что происходит выравнивание характеристик упорядоченности текстуры и пористости по объему слоя щебня, подвергнутого виброобжатию рабочим органом машины.

Нашими исследованиями экспериментально установлены наличие и характер изменения линейной корреляционной связи между характеристиками упорядоченности текстуры (через определитель. c/©t С Л ке^З матрицы упорядоченности текстуры - обобщенную дисперсию) и пористостью П (см. рис. 4.14 и 4.15). Эта связь указывает на то, что при небольших степенях обжатия путевого щебня изменение показателей упорядоченности текстуры влечет за собой соответствующее изменение пористости (при заходе пуансона ^ = О, % = + 0,3970). По мере увеличения степени обжатия и приближения щебня к критическому состоянию корреляционная связь исчезает. Это свидетельствует о том, что в критическом состоянии путевого щебня если и могут происходить перестройки текстуры, то они не сопровождаются соответствующими изменениями пористости.

При виброобжатии щебня на закритическом этапе поведения корреляционная связь восстанавливается (для 8 =0,08 м t =

- 0,-3094), так как при этом происходит выпирание щебня в стороны, перпендикулярные направлению подачи рабочего органа (пуансона). Существенные изменения текстуры сопровождаются существенными изменениями пористости.

Корреляционная связь указывает: на единую природу процесса упорядочения текстуры и процесса изменения пористости, происходящих при виброобжатии щебеночного балластного слоя уплотни-тельным рабочим органом путевой машины.

На основе наших исследований предложена методика определения оптимального угла наклона рабочих поверхностей уплотнительных органов путевых машин, в частности, определен оптимальный угол § наклона к вертикальной плоскости рабочих уплотнительных поверхностей клиньев виброуплотнителей машины ВПО-ЗООО. В условиях использования для отсыпки балластного слоя железнодорожного пути щебня Гавриловского щебзавода стандартного гранулометрического состава оптимальный угол §опГ= (0,139 - 0,209) рад или допт = (8 - 12)°.

Экономический эффект от: внедрения новых рабочих органов по Октябрьской железной дороге может составить 19,3 тыс. руб на одну машину.

Разработанная методика может быть использована и для других условий работы уплотнительных рабочих органов путевых машин.

На основе полученных в нашей работе научных результатов рекомендуется при дальнейших поисках оптимальных конструкций уплотнительных рабочих органов путевых машин в первую очередь рассмотреть такие коструктивные решения, направления виброобжатия у которых приближалось бы к направлению воздействия на путь нагрузки от движущихся поездов (см. п. 5.2). Некоторые из таких конструктивных решений к настоящему времени известны. К ним можно отнести уплотнительные рабочие органы типа I.I.I.3.I (см. п. 1.3) или I.I.I.I.I, которые применяются на динамических стабилизаторах. С точки зрения полученных в нашей работе новых представлений о процессе уплотнения путевого щебня рабочими органами машин, динамические стабилизаторы производят упорядочение и ориентацию текстуры в щебеночном балластном слое железнодорожного пути, приближающуюся к получаемым от воздействия движущимися поездами, то есть большими сечениями частиц перпендикулярно поездной нагрузке. Это способствует уменьшению последующих осадок пути при его работе под поездами вследствие уменьшения последующих переупорядочения и переориентации текстуры щебня в слое.

Изученные в нашей работе основные закономерности изменения текстуры путевого щебня при его виброобжатии могут быть использованы при разработке общей реологической модели процесса уплотнения щебеночного балластного слоя железнодорожного пути уплотнительными рабочими органами путевых машин. Разработка такой модели позволит на стадии проектирования надежно прогнозировать свойства и производить оптимизацию параметров уплотнительных рабочих органов путевых машин.

199

1.. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года. - М.: "Политиздат",' 1981. - 95 с.2ъ Ленин В.И. Философские тетради. М.:"Политиздат", 1976. -752 с.

2. Адашев И.С;,' Спивак С.Г., Тараканов Г.П. Машины и механизмы транспортного строительства. Учебник для техникумов железнодорожного транспорта'. М,:"Транспорт", 1976". - 232 с.

3. Акивис М;А., Гольдберг B;Bi- Тензорное исчисление. -М.:"Наука", 1972. 352 с.

4. Алешин ВЗА. Проблема стабилизации щебеночного основания железнодорожного пути. Труды ВНИИ1Т МПС, вып. 217. - М.: "Трансжелдориздат", 1961, с. 5-8.

5. Алешин В.А., СыреШциков Ю^П. Исследование параметров рабочих органов шпалоподбивочных машин цикличного действия. -"Вестник ВНИИ1Т", №5, 1966, с. 7 10.

6. Альбрехт В.Г., Золотарский А.Ф., ред. Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути. М.:"Транспорт", 1975. - 279 с.

7. Астахов A.BV Курс физики. Том I. Механика. Кинетическая теория материи1. М.: "Наука", 1977. - 334 с;

8. Бабичков A.M., ГУрский П.А., Новиков А.П. Тяга поездов и тяговые расчеты. М.:"Транспорт", 1971. - 280 с.

9. Баловнев В.Й. Методы физического моделирования рабочих процессов дорожно-строительных машин. М.:"Машиностроение", 1974. - 232 с.

10. Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве. М.:"Гос-стройиздат", 1959. - 316 с-.

11. Бауман В.А;, Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве; М.:"Высшая школа", 1977. - 256 с.

12. Болотин В.А., Кобринский В.И., Попович М;В; Исследование процесса уплотнения щебеночной балластной призмы железнодорожного пути на физической модели. Труды ЛИИ2Т,1 вып. 402. - Л., 1976, с. 61 - 68.

13. Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии; М.:"Наука", 1980. - 176 с.

14. Варызгин Е.С. Содержание балластной призмы железнодорожного пути.1 М.:"Транспорт", 1978. - 140 с.

15. Вериго М.Ф. К вопросу о процессе уплотнения балластного слоя железнодорожного пути повторной нагрузкой. "Вестник ВНИИ1Т", №2, 1959, с. 51 - 53.

16. Волковойнов Б.Г. Выбор направления силового воздействия на щебеночный балластный слой железнодорожного пути рабочим органом шпалоподбивочной машины. (Рукопись депонирована в ЦНИИТЭИ МПС 16 июля 1981 г., №1623/81).

17. Волковойнов Б.Г; Изменение текстуры щебеночного балласта при направленном силовом воздействии рабочим органом путевой уплотнительной машины. (Рукопись депонирована в ЦНИИТЭИ МПС 16 июля 1981 г;<, №1622/81).

18. Волковойнов Б.1\ Классификация рабочих органов машин, предназначенных для уплотнения балластного слоя железнодорожного пути. (Рукопись депонирована в ЦНИИТЭИ МПС 16 июля1981 г., №1621/81).

19. Волковойнов Б.Г. Оценка напряженного состояния щебеночного балластного слоя железнодорожного пути после силового воздействия на него балластоуплотнительной машиной. (Рукопись депонирована в ЦНИИТЭИ МПС 19 мая 1980 г., №1127/80).

20. Волковойнов Б.Г. Характеристики текстуры щебеночного балласта и их изменение при направленном силовом воздействии рабочим органом балластоуплотнительной машины. (Рукопись депонирована в ЦНИИТЭИ МПС 19 мая 1980 г., №1128/80).

21. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: "Наука", 1966. - 872 с.

22. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. -М.:"Высшая школа", 1978. 447 с.

23. Гихман И.И., Скороход А.В. Введение в теорию случайных процессов. М.:"Наука", 1977. - 568 с.

24. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Основные компоненты грунта и их взаимодействие. М.:"Стройиздат", 1973. - 376 с;

25. ГОСТ 7392-78. Щебень из естественного камня для балластного слоя железнодорожного пути.

26. ГОСТ 8269-76. Щебень из естественного камня, гравий и щебень из гравия для строительных работ. Методы испытаний.

27. ГОСТ 21878-76. Случайные процессы и динамические системы. Термины и определения.

28. ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения.

29. Иноземцев А.А., Юферев В.М. Повышаем эффективность использования ВПО-ЗООО. "Путь и путевое хозяйство", №2, 1970, с. 8 - 10.

30. Иванов Е.Р., ред. Выправочно-подбивочно-отделочная машина ВПО-ЗООО. М.:"Транспорт", 1975. - 232 с.

31. Кандауров И.И. Механика зернистых сред и ее применение в строительстве. Л. - М.:"Стройиздат", 1966. - 320 с.

32. Каракулев А.В., ред. Эксплуатация строительных, путевых и погрузочно-разгрузочных машин. Учебник для Вузов железнодорожного транспорта. М.:"Транспорт", 1979. - 264 с.

33. Каракулев А.В., Волковойнов Б.Г. Модель состояний слоя балласта железнодорожного пути, возникающих при направленном силовом воздействии. Труды ЛИИНТ, межвузовский сборник. - Л., 1979, с. 15 - 19.

34. Каракулев А.В., Волковойнов Б.Г. Текстурные изменения щебеночного балласта, вызываемые направленным воздействием рабочего органа уплотнительной путевой машины. "Транспортное строительство", №11, 1980, с. 43 - 44.

35. Клауз Л.П., Попович М.В. О теоретических моделях процесса уплотнения зернистых сред. Труды ЛИИ1Т, вып. 346. -Л.:"Транспорт'", 1973, с. 92 - 96.

36. Клауз ПЛ., Данилов А.К. Исследование способов уплотнения железнодорожных балластов. Труды ЛИИЕТ, вып. 201. -Л., 1963, с. 81 - 92.

37. Коншин Г.Г. О распределении уплотняющих усилий под блочными железобетонными подрельсовыми основаниями при проходе машины ВПО-ЗООО. Труды МШТ, вып. 298. - М.:"Транспорт", 1969, с. 47 - 50.

38. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.:"Наука", 1977. - 832 с.

39. Королюк B.C., ред. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. Киев:"Наукова думка", 1978. -584 с.

40. Левчиков С.А. Способы повышения устойчивости пути с помощью машин. Труды ВНИИЕТ МПС, вып. 552. - Mv:"Транспорт1", 1976, с. 95-101.

41. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. -М.:"Наука", 1975. 528 с.

42. МПС СССР. Инструкция по определению экономической эффективности капитальных вложений на железнодорожном транспорте. М.:"Транспорт", 1973. - 200 с.

43. МПС СССР. Методические указания по определению экономической эффективности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений на железнодорожном транспорте. М.: "Транспорт", 1980. - 144 с.

44. МПС СССР. Типовые технически обоснованные нормы времени для учета работ по текущему содержанию пути. М.^'Транспорт", 1972. - 592 с.

45. Муллер Р.А. К статистической теории распределения напряжений в зернистом грунтовом основании. "Основания, фундаменты и механика грунтов", №4, 1962, с. 4-6.

46. Никифоров П.А. Теория и практика уплотнения балластного слоя при производстве путевых работ. Труды МИИТ, вып. 80/1. - М.:"Транскелдориздат", 1955, с. 212 - 281.

47. Плохоцкий М.А., ред. Машины и механизмы для путевого; хозяйства. Учебник для техникумов железнодорожного- транспорта.- М.:"Транспорт", 1978. 389 с.

48. Попов С.Н. Балластный слой железнодорожного пути. -М.:"Транспорт", 1965. 184 с.

49. Попович М.В. Основные параметры виброплит, влияющие на эффективность объемного уплотнения щебеночной призмы. -Труды ЛИИЯТ, вып. 295. Л., 1969, с. 18 - 38.

50. Попович М.В., Болотин В.А. Исследование уплотнения щебня при импульсном воздействии. Труды ЛИИЕТ, вып. 365. -1.:"Транспорт", 1975, с. 92 - 96.

51. Попович М.В., Болотин В.А., Кобринский В.И., Волковойнов Б.Г. Автоматизация торцовой подбивки шпал. "Путь и путевое хозяйство", №1, 1977, с. 6-7.

52. Попович II.В., Болотин В.А., Кобринский В.И., Волковойнов Б.Г. Режим работы электродвигателей привода виброплит ВПО-ЗООО. "Путь и путевое хозяйство", №10, 1976, с. 18-19.

53. Попович М.В., Цупиков А.П. Исследование процесса взаимодействия виброуплотнителя торцовой подбивки с путевым щебнем на ЭВМ. Труды ЛИИЯТ, вып. 402. - Л., 1976, с. 49-60.

54. Розанов Ю.А. Случайные процессы. М.:"Наука", 1979.- 184 с.

55. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. Киев -."Техника", Х975. - 768 с.

56. Сидоров Н.Н., Сипидин В.П. Современные методы определения характеристик механических свойств грунтов. л.:"Строй-издат", 1972. - 136 с.

57. Сиразетдинов T.IC. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.:"Наука", 1977. - 480 с.

58. Скрипниченко М.И. Повысить эффективность новых машин. "Путь и путевое хозяйство", №9, 1980, с. 30 - 33.

59. Соломонов С.А., ред. Путевые машины. Учебник для вузов железнодорожного транспорта. М.:"Транспорт", 1977. -392 с.

60. Сырейщиков Ю.П. К вопросу об оценке и необходимом качестве уплотнения щебеночного балласта. Труды ВНИИ1Т МПС, вып. 552. - М.:"Транспорт", 1976, с. 55-64.

61. Сырейщиков Ю.П. О закономерностях вибрационного уплотнения несвязного материала. "Вестник ВНИИ1Т", К°-3, 1976, с. 23 - 27.

62. Сырейщиков Ю.П. Процесс уплотнения щебня при вибрировании. "Вестник BHIMT", №7, 1963, с. 59 - 63.

63. Сырейщиков Ю.П., Задорин Г.П., Лукин Е.А. Повышение качества уплотнения балласта. М.:"Транспорт", 1977. - 24 с.

64. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.:"Наука", 1977. - 736 с.

65. Хархута Н.Я., Иевлев В.М. Реологические свойства грунтов. М.:"Автотрансиздат", 1961. - 64 с.

66. Цигельный П.И. Об изменении некоторых свойств балластных материалов в процессе их уплотнения. Труды ВНИИ1Т МПС, вып. 217. - М.:"Трансжелдориздат", 1961, с. 25-31.

67. Цупиков А.П. Основные факторы, влияющие на эффективность уплотнения щебеночных балластов эксцентриковыми уплотнителями. Труды ЛИИДТ, вып. 246. - М. - Л.:"Транспорт", 1966,с. 48 60.

68. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.:"Высшая школа", 1979. - 272 с.

69. Шафрановский А.К. Исследование эффективности различных способов уплотнения щебеночного основания в эксплуатационных условиях. Труды ВНИИ1Т МПС, вып. 217. - М.:"Трансжелдор-издат", 1961, с. 71 - 98.

70. Шафрановский Л.К. О необходимой степени уплотнения балластного слоя при постановке пути на щебеночное основание. "Вестник ВНИИЕТ", №5, 1959, с. 48 - 51.

71. Шафрановский А.К., Щербакова А.П. Технико-экономическая эффективность подбивочно-выправочных машин с учетом качества работ. "Вестник ВНИИ1Т", №8, I960, с. 43 - 46.

72. Шеффе Г. Дисперсионный анализ. М.:"Наука", 1980. -512 с.

73. Яблонский А.А., Никифорова В.П. Курс теоретической механики. Часть I. Статика. Кинематика. М.:"Высшая школа", 1966. - 440 с.

74. RiessSetpez К. Towards а тоге staSleeast вес/.-„ RatEv/cry Qotzete International,'

75. Match, 1977, p. 99-102 (англ.)

76. Шентон М.И. Деформация железнодорожного балласта в условиях переменной нагрузки. "Механика железнодорожного пути и технология". Труды симпозиума, проходившего в Принстонском университете, Нью-Йорк, 1975. изд. "Оксфорд", 1978, с. 405 -425).

77. StuzA. What BaMctst tests show to date-„Raceway Tvack г Stvuctuie?Ш, i979, p 26-27 (англ.)

78. Слуз А. Что показывают испытания балласта на настоящий день. "Железнодорожный путь и строительство", №1, 1979, с. 26 - 27).