автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Определение запаса устойчивости бесстыкового пути с учетом его фактического текущего состояния

На правах рукописи

Овчинников Дмитрий Владиславович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ С УЧЕТОМ ЕГО ФАКТИЧЕСКОГО ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ

Специальность: 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и

проектирование железных дорог

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 НОЯ 2014

005555772 москвагон

005555772

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) на кафедре «Путь и строительство железных дорог».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Покацкий Владимир Афанасьевич

Официальные оппоненты:

Коган Александр Яковлевич, доктор технических наук, ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта», лаборатория «Бесстыковой путь», ведущий научный сотрудник;

Лебедев Алексей Владимирович, кандидат технических наук, закрытое акционерное общество «PC-КОМПЛЕКТ»,технический директор.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ИрГУПС).

Защита состоится «25» декабря 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного ученого совета Д218.005.11 на базефедерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр.9, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ) www.miit.ru.

Автореферат разослан « ноября 2014 г.

Ученый секретарь .у Г)д

диссертационного совета ^ ^^^авин Андрей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Бесстыковой путь на сегодняшний день является наиболее прогрессивной конструкцией верхнего строения пути, и расширение полигона его применения является одной из приоритетных задач для исследователей. Согласно распоряжению правительства Российской Федерации № 877-р от 17.06.2008 «О стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской федерации до 2030 года дальнейшее развитие инфраструктуры железнодорожной отрасли потребует увеличения протяженности бесстыкового пути на 16 тыс. км. Таким образом, тенденция дальнейшего развития бесстыковой конструкции пути очевидна.

В процессе эксплуатации в пути накапливаются различного рода отступления от норм содержания, которые могут впоследствии привести к отказам в работе пути. Одним из наиболее сложно прогнозируемых и опасных в плане последствий является отказ бесстыкового пути в виде потери устойчивости, так называемый выброс пути. Для обеспечения безопасности движения поездов необходимо максимально исключить внезапные отказы в виде потери устойчивости. Важным направлением в решении этого вопроса является мониторинг состояния пути с оценкой запаса устойчивости для текущего фактического состояния посредством исследования факторов, влияющих на температуру закрепления бесстыкового пути.

Современные комплексы мониторинга железнодорожного пути позволяют контролировать параметры, значительно влияющие на максимально допустимые превышения температуры рельсов относительно температуры закрепления, такие как отступления от норм содержания пути в плане, а также отступления от норм содержания балластного слоя. В настоящее время становится возможным по результатам проходов вагонов-путеизмерителей давать фактическую оценку состояния пути, однако общепризнанного алгоритма количественной оценки запаса устойчивости против выброса, применяемого на сегодняшний день на практике, нет - существующие отечественные методики определения предвыбросного состояния имеют как ряд преимуществ, так и недоработок, которые нуждаются в дальнейшем рассмотрении и уточнении. Таким образом, разработка методики по определению участков с минимальным запасом устойчивости представляет собой решение одной из наиболее актуальных проблем, связанных с эксплуатацией, а также увеличением протяженности бесстыкового пути. Своевременное выявление участков с запасом устойчивости, выходящим за

рамки предельно допустимых значений, является, в том числе, одной из важнейших задач по обеспечению безопасности движения поездов.

Цель работы

Целью диссертационной работы является реализация автоматизированной оценки запаса устойчивости бесстыкового пути с учетом его фактического текущего состояния посредством полученных данных при проходе вагона-путеизмерителя.

Методика исследования

Методика исследования основана на использовании комплекса теоретических и экспериментальных исследований, среди которых:

- методы строительной механики, динамики сооружений и устойчивости конструкций;

численные методы расчета конструкций верхнего строения железнодорожного пути с помощью электронно-вычислительных машин;

- экспериментальное исследование потери устойчивости участка пути посредством создания критических продольных усилий в рельсовых плетях;

- методы статистической обработки результатов экспериментов и их корреляционного анализа;

- методы моделирования законов распределения случайной величины.

Научную новизну представляют:

- конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути с нелинейными силами сопротивления балластного слоя и промежуточных рельсовых скреплений перемещениям рельсошпальной решетки, позволяющая оценить величины критических продольных усилий при всевозможных сочетаниях ослабляющих факторов, а также при наличии неравномерности распределения сил сопротивления;

- методика оценки величины фактического запаса устойчивости пути с учетом его текущего состояния, реализованная на базе результатов проходов вагонов-пугеизмерителей.

Практическая ценность диссертации:

- с помощью модели, разработанной в конечно-элементной среде, получены значения величин снижения максимально допускаемых превышений температуры рельсовых плетей относительно температуры закрепления при наличии отступлений от норм содержания в плане, отступлений от норм содержания балластного слоя, а также при сочетании вышеуказанных отступлений;

- разработана методика определения запаса устойчивости с учетом его фактического состояния, которая может быть реализована на базе вагона-

путеизмерителя. Основным количественным показателем снижения запаса устойчивости пути при наличии отступлений от норм содержания является, так называемый, поправочный коэффициент, введение которого позволяет учитывать устойчивость против выброса пути в текущем состоянии.

Реализация результатов работы

Полученные результаты работы используются для интеграции в технологию комплексной оценки состояния бесстыкового пути системы УРРАН, разработанной НПЦ «Инфотранс».

Личный вклад автора:

- разработка математической модели железнодорожного пути в среде конечно-элементного моделирования с нелинейными зависимостями сил сопротивления рельсошпальной решетки перемещениям с учетом продольных сил сопротивления перемещениям шпал в балласте и рельсов относительно шпалы;

- разработка и апробация методики определения запаса устойчивости пути против выброса с учетом фактического текущего состояния, реализованная на базе результатов проходов вагонов-путеизмерителей.

На защиту выносятся:

- конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути с нелинейными силами сопротивления балластного слоя и промежуточных рельсовых скреплений перемещениям рельсошпальной решетки, позволяющая оценить величины критических продольных усилий при всевозможных сочетаниях ослабляющих факторов, а также при наличии неравномерности распределения сил сопротивления;

- методика оценки величины фактического запаса устойчивости пути с учетом его текущего состояния, решшзованная на базе результатов проходов вагонов-путеизмерителей.

Реализация и апробация работы

Основные положения диссертации доложены и одобрены: на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования и эксплуатации железных дорог», проходившей в ИрГУПСе 19-23 апреля 2010 г., на двенадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», проходившей в Москве 20-21 октября 2011 г., на IX научно-технической конференции с международным участием, проходившей в МИИТе 4 - 5 апреля 2012г., на международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту», проходившей в СамГУПСе в 2013 г., на

заседаниях кафедры «Путь и строительство железных дорог» СамГУПСа, заседании кафедры «Путь и путевое хозяйство» МИИТа.

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 11 статьях, из которых 3 опубликованы в журналах, входящих в перечень рекомендуемых ВАК ведущих периодических изданий, 3 опубликованы в трудах конференций с международным участием.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 105 наименований, и двух приложений. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, показана научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе показаны основные предпосылки становления бесстыкового пути, этапы становления температурно-напряженной конструкции пути как основного и наиболее перспективного варианта верхнего строения пути. Обозначены основные преимущества бесстыкового пути, обеспечивающие дальнейшее расширение его полигона. Также проведен анализ существующей терминологии в области эксплуатации бесстыкового пути, используемый в наиболее авторитетных и значимых источниках, показана терминология, используемая в диссертационной работе.

Следует отметить, что термин «устойчивость» весьма перегружен и используется повсеместно: в механике, математике, энергетике, биологии и ряде других наук. Особое значение в связи с этим приобретают вопросы терминологии: в настоящее время понятия устойчивости, выброса пуги, потери устойчивости в различных источниках имеют определения, иногда противоречащие друг другу. В рамках диссертационной работы проанализированы определения, использованные в следующих источниках:

- Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути, утвержденной Распоряжением ОАО «РЖД» №2788р от 29 декабря 2012 г.;

- Рекомендации по терминологии «Бесстыковой путь»;

- В. Г. Альбрехт «Бесстыковой путь»;

- М.Ф. Вериго «Новые методы в установлении норм устройства и содержания бесстыкового пути»;

- Определение, данное в курсе «Сопротивление материалов».

На основании анализа таких фундаментальных понятий в области эксплуатации бесстыкового пути как «устойчивость против выброса» и «потеря устойчивости - выброс пути» обозначена терминология, используемая в дальнейшем:

- устойчивостью бесстыкового пути (либо устойчивостью против выброса) называть способность бесстыкового пути бесконечно долго и неизменно сохранять свое проектное положение в плане (с учетом допускаемых значений сдвигов по устойчивости) при воздействии температурных продольных сжимающих усилий в рельсовых плетях;

- выбросом (либо потерей устойчивости) пути считать резкое искривление рельсошпалыюй решетки в горизонтальной плоскости с нарушением проектного положения пути в плане, выходящее за нормы эксплуатации, ввиду возникновения критических температурных сжимающих сил. Следует отметить, что потеря устойчивости бесстыкового пути процесс необратимый, то есть путь не возвращается в свое первоначальное состояние после снятия температурных нагрузок.

В данной работе остановимся на определении запаса устойчивости бесстыкового пути при воздействии только продольных температурных усилий без воздействия дополнительных факторов поездной нагрузки как ослабляющих, так и увеличивающих способность пути сопротивляться поперечным перемещениям.

Во второй главе проанализированы существующие методы оценки максимально допустимых превышений температуры рельсовых плетей относительно температуры закрепления, показаны их основные преимущества и недостатки. Учитывая основные достижение в области моделирования бесстыкового пути разработана конечно-элементная модель, учитывающая все наиболее значимые силы сопротивления перемещениям рельсошпальной решетки, а также позволяющая оценить устойчивость бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания. Адекватность предложенной модели подтверждена как аналитическим методом - сравнением полученных результатов с результатами моделирования посредством метода дифференциальных уравнений А.Я. Когана, так и экспериментальным -сравнением критических продольных усилий, полученных в ходе потери

устойчивости участка пути полигона СамГУПС, и посредством разработанной модели.

На сегодняшний день к методикам определения максимально допустимых превышений температуры рельсов относительно температуры закрепления являются:

- энергетический метод;

- метод дифференциальных уравнений;

- метод имитационного моделирования;

- метод конечных элементов.

Каждый из указанных методов обладает рядом преимуществ и недостатков, ограничивающих применимость каждого из них для решения конкретных задач, однако наиболее универсальным в плане задания исходных граничных условий является метод конечных элементов, с помощью которого успешно решается широкий круг разнообразных задач. Бесстыковой путь представляет собой неоднородную конструкцию, состоящую из большого количества отдельных конструктивных элементов, поведение каждого из которых описывается своим дифференциальным уравнением, то есть в этом случае применение метода конечных элементов представляется наиболее обоснованным и перспективным.

Используя современные инжиниринговые технологии, а также учитывая преимущества и недостатки существующих математических моделей, в среде конечно-элементного анализа разработана модель железнодорожного пути с нелинейными зависимостями сил сопротивления рельсошпальной решетки перемещениям:

- поперечное сопротивление балласта,

- сопротивление повороту рельса относительно шпал в горизонтальной плоскости,

аппроксимационное уравнение вида Я = д-<р + М • агсЩ —;

аппроксимационное уравнение вида У - В-аг - продольное сопротивление балласта,

- продольное сопротивление промежуточных рельсовых скреплений, аппроксимационное уравнение вида у — В-

г

где у - величина приложенного усилия, х - перемещение под действием приложенного усилия, К - величина сопротивления повороту рельса относительно шпал в горизонтальной плоскости,

<р - величина поворота рельса относительно шпал,

В, Ъ, д, М, г - коэффициенты, получаемые при аппроксимации экспериментальных данных.

На рисунке 1 представлена концепция создания конечно-элементной модели, выполненной в системе конечно-элементного моделирования, в упрощенном и объемном виде (для наглядности).

Для апробации модели, а также проверки результатов расчета был выполнен анализ устойчивости бесстьжового пути при использовании некоторых допущений, а именно: в модели учтены только силы поперечного сопротивления балластного слоя и сопротивление кручению рельсов относительно скреплений (данная конфигурация соответствует аналитической модели профессора А.Я. Когана).

Р-

Рисунок 1 - Конечно-элементная модель бесстыкового пути

Результаты расчетов представлены в табличной форме (таблица 1). Величина критической температуры конечно-элементной модели указывается для максимальной стрелы изгиба рельсошпальной решетки наружу согласно расчетам аналитической модели.

Таблица 1 - Сравнительный анализ критической температуры

Радиус кривой. Поперечное Величина максимально допустимого Разность

перемещение РШР, мм превышения температуры результатов, %

м Конечно- Аналитическая

элементная модель модель А.Я. Когана .....1

350 4,4 63 62 1,6

500 2=4 84 83 1,2

800 1,4 116 118 1,7

Как видно, разность результатов конечно-элементной и аналитической модели А.Я. Когана, наиболее широко используемой в настоящее время, в том числе при расчетах для ТУ-2012, составляет не более 2%, что говорит о достаточной точности расчета устойчивости бесстыкового пути методом конечных элементов, а также показывает идентичность выходных данных в среде конечно-элементного анализа и общепризнанного метода расчета устойчивости методом дифференциальных уравнений.

Для изучения процесса потери устойчивости пути, а также апробации разработанной конечно-элементной модели на полигоне Самарского государственного университета путей сообщения проведен эксперимент по принудительному созданию критических продольных усилий в рельсовых плетях посредством гидравлических цилиндров. Максимальное продольное усилие, равное 150 тоннам, что эквивалентно изменению температуры рельсов относительно температуры закрепления на 72 градуса, создается с помощью масляной станции (рисунок 2).

Экспериментальный участок представляет собой путь со средним радиусом 367 метров на деревянных шпалах, кроме участка в месте установки гидравлических цилиндров. Участки, примыкающие к исследуемому, тоже расположены на железобетонных шпалах с целью распределения продольных усилий непосредственно на опытный участок.

Рисунок 2 - Место установки гидравлических цилиндров

Конечно-элементная модель опытного участка в объемном представлении и без такового представлена на рисунке 3. Красным обозначены железобетонные шпалы и, как следствие, участки с повышенным поперечным и продольным сопротивлением балластного слоя.

Рисунок 3 - Конечно-элементная модель пути. Красным обозначен участок с железобетонными шпалами

В ходе эксперимента максимальные продольные усилия составили 80 тонн на рельс, что соответствует изменению температуры относительно температуры закрепления на 39 градусов. Величина продольных усилий, по достижении которой произошла потеря устойчивости моделируемого участка пути, составила 83,7 тонн, что соответствует экспериментальным данным.

Формы искривления экспериментального участка, полученные с помощью математического моделирования и в ходе проведенного опыта (показаны на рисунке 4 в цилиндрической системе координат с радиусом 367 метров), имеют близкие по амплитуде и местонахождению стрелы изгиба (рисунок 4).

Ординаты полученных графиков форм искривления имеют достаточно близкие значения, что говорит об адекватности получаемых с помощью конечно-элементной модели результатов как при различных видах нагружения, так и при сочетании различных начальных условий: величины сопротивлений перемещениям рельсошпальной решетки и геометрии пути.

Рисунок 4

аналитическая модель """""эксперимент

Протяженность участка, м

- Формы искривления опытного участка и результаты моделирования

j

математического

Рисунок 5 - Форма искривления пути экспериментальная я аналитическая

На рисунке 5 представлен общий план искривления рельсошпальной решетки при моделировании процесса потери устойчивости экспериментальным путем, а также в среде конечно-элементного анализа.

В третьей главе проведено расширение возможностей моделирования устойчивости бесстыкового пути методом конечных элементов с помощью программ-макросов, разработанных в среде программирования Visual Basic for Application: посчитаны формы локальных отступлений от норм содержания в плане, наиболее значительно ослабляющие устойчивость против выброса.

выполнен расчет критических продольных усилий при наличии отступлений от норм содержания балластной призмы, содержания пути в плане, а также при сочетании указанных отступлений.

Очевидно, что бесстыковой путь представляет собой бесчисленное множество сочетаний неровностей различных амплитуд и длин, поэтому необходимо остановиться на вычислении такой формы неровности, при наличии которой по длине пути максимально снижается сопротивляемость выбросу бесстыкового пути. Для бесстыкового пути критической является неровность, совпадающая с формой потери устойчивости, то есть одними из главных факторов оценки безопасности бесстыкового пути в плане обеспечения его устойчивости являются длина и амплитуда неровности в плане.

Для определения наиболее опасных интервалов длин неровностей при разных амплитудах достаточно вычислить два краевых случая: при максимальных силах сопротивления балласта и скреплений (путь обкатан (41.3 млн.т.), машина Дуомат (2 прохода), с уплотнением плеча балластной призмы виброплитой, скрепления типа КБ с моментом затяжки клеммных болтов 200 Н-м) и минимальных (путь поднят на чистый балласт, ящики засыпаны, скрепления типа КБ с моментом затяжки клеммных болтов 50 Н-м).

В таблице 2 представлены результаты расчеты длин неровностей при наибольших силах сопротивления потери устойчивости и наименьших для стрел изгиба 5, 10, 15 и 20 мм в табличной форме. Таким образом, минимальные длины неровностей соответствуют пути с наибольшими возможными силами сопротивления перемещениям рельсошпальной решетки, максимальные - с наименьшими нормативными силами сопротивления.

Таблица 2 - Характеристики критических неровностей

Амплитуда неровности, мм 5 10 | 15 20 30

Длина (мин), м 4,8 6 ! 6,3 6,9 8,4

Длина (макс), м 6.8 7,5 8,2 8,8 Г 9,8

Среднее значение, м 5,8 6,75 7.25 7,85 9,1

Результаты расчетов показали, что длины неровностей, оказывающие максимальное влияние на снижение устойчивости против выброса бесстыкового пути, при осреднении находятся в пределах 6-9 метров, что можно считать неровностями малой длины.

Полученные данные хорошо коррелируются с результатами, полученными АЛ. Коганом в работе по определению критически?« форм неровностей.

Относительное снижение максимально допустимых превышений температуры рельсовых плетей при наличии в пути неровности, совпадающей по форме с критической для данного сочетания факторов представлено в форме графиков на рисунке 6: за 100% принято значение критической температуры для пути в нормативном состоянии.

Радиус кривой, м 'О—250 ««-400 600 1000

10 15 20 25

Амплитуда неровности, мм

Рисунок 6 - Снижение максимально допустимых превышений температуры в зависимости от радиуса кривой и амплитуды неровности

Наибольшее снижение устойчивости наблюдается при увеличении радиуса, что вполне естественно в связи с изменением кривизны пути, причем в кривых малых радиусов это снижение минимально, независимо от амплитуды неровности. В кривых очень малых радиусов снижение критической температуры при амплитуде критической неровности 20 мм составляет лишь 18-19%, когда как в кривых, близких по радиусу к прямым участкам пути, величина максимально допустимого превышения температуры снижается в 2,5 раза, что является немаловажным основанием для глубокого изучения вопроса мониторинга и выявления неровностей подобных форм при автоматизированной оценке пути. В то же время полученные результаты объясняют наличие фактов потери устойчивости в кривых больших радиусов, а также в прямых участках пути.

Затем проведена оценка снижения запаса устойчивости при наличии отступлений от норм содержания пути в плане, норм содержания балластного слоя, а также при сочетании указанных отступлений. Следует отметить, что при формировании окончательных результатов величин максимально допустимых

превышений температур рельсов относительно температуры закрепления применена методика приведения аналитических данных к экспериментальным с помощью корректирующего коэффициента, разработанная и опубликованная Сквозняковым П.Е. под руководством заведующего лабораторией «Бесстыковой путь» ВНИИЖТ Суслова O.A.

Результаты расчетов устойчивости против выброса бесстыкового пути при наличии отступлений от норм содержания в плане представлены в таблице 3 (для примера результаты показаны только для радиуса 250 и 400 метров).

Таким образом, наиболее опасные длины неровностей в плане устойчивости бесстыкового пути находятся в пределах 6-9 метров, что совпадает с формами критических неровностей, полученными аналитически в предыдущем разделе. То есть наиболее опасными в плане обеспечения устойчивости бесстыкового пути являются не участки с максимальной кривизной, а конкретные сочетания длины и амплитуды локальных неровностей. На графике (рисунок 7) зависимости критического превышения температуры от длин неровностей для радиуса 400 метров и стрелы изгиба 10 мм отчетливо прослеживается эта тенденция.

Таблица 3 - Расчетные значения допускаемых превышений температур

Длина неровности Радиус 250 Радиус 400

Стрела изгиба, мм

5 10 15 20 30 5 10 15 20 30

4 5 31,11 29,33 28,33 27,33 26,67 44,53 39,38 36,75 35,88 34,13

31,11 28,67 28,00 26,67 26,00 43,70 38,50 35,88 35,00 33,25

6 30,33 28,67 27,33 26,00 26,00 43,42 38,50 35,88 34,13 32,38

7 30,33 28,00 27,33 26,00 25,33 43,75 38,06 35,00 34,13 31,50

8 30,33 28,00 26,67 25,33 24,67 43,75 38,50 35,00 33,25 30,63

9 30,33 28,00 26,67 25,33 24,67 42,00 38,72 35,05 33,25 30,63

10 lf 30,33 зиГ 28,00 26,67 25,33 24,67 43,00 39,38 35,66 33,25 30,63

28.67 27.33 26,00 24,67 43,00 40,25 36,75 37,41 34,13 31.50

12 31,11 28,67 27,33 26,00 24,67 44,00 41,02 34,56 31,50

15 31,89 29,33 28,00 26,67 25,33 46,00 44,00 40,25 37,41 34,13

20 32,18 30,67 29,33 28,67 26,67 47,75 47,19 45,00 41,94 38,50

30 34,03 32,67 31,67 31,00 30,00 56,19 51.59 50,63 49,00 45.50

55,00

50,00

g 45,00

Радиус 400 м, стрела изгиба 10 мм ^

35,00 ! 2

14 18 22 Дмна неровности, м

26

30

Рисунок 7 - Зависимость допускаемого превышения температуры от длины неровности для участка пути радиусом 400 м амплитудой неровности 10 мм

Следует отметить, что область результатов имеет дискретный характер, что делает невозможным их применение для автоматизированной оценки запаса устойчивости бесстыкового пути по данным вагонов-путеизмерителей непосредственно во время прохода, аппроксимация же полученных значений весьма затруднительна и трудоемка.

Наиболее целесообразно в данном случае для обобщения и аппроксимации данных использовать искусственные нейронные сети -математические модели, а также их программные или аппаратные реализации, построенные по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей. Максимальная погрешность метода определения критических температур посредством нейронной сети составляет не более 2-3% или 1-2°С. Такая точность вполне сопоставима с точностью определения максимально допустимых превышений температур относительно температуры закрепления с помощью других методик.

С помощью разработанной конечно-элементной модели, а также макроса на языке программирования VBA проведено добавление ослабляющего вариативного фактора в виде отступления от норм содержания балластного

слоя. В качестве законов распределения случайной величины использованы: нормальный, бета-распределение и распределение минимального значения.

Результаты моделирования показывают относительное снижение критических температур до 45%, что говорит о существенном влиянии как добавления вариативности в математическую модель, так и разновидности самого закона распределения случайной величины.

Четвертая глава посвящена анализу существующих методов оценки напряженно-деформированного состояния бесстыкового пути, а также разработке и апробации методики, позволяющей проводить

автоматизированную оценку запаса устойчивости по результатам проходов вагонов-путеизмерителей. Предложенная методика, реализованная с помощью, так называемого, поправочного коэффициента, представляет собой алгоритм ранжирования бесстыкового пути на зоны безопасности, подобно категорированию системы УРРАН.

Со времен становления бесстыкового пути возникла проблема количественной оценки сжимающих и растягиваюищх усилий, возникающих при изменении температуры. Одним из направлений повышения безопасности эксплуатации бесстыкового пути является определение напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей, что позволяет предупредить и предотвратить отказы бесстыкового пути.

Проведенный анализ методик по определению напряженно-деформированного состояния пути и определению предвыбросного состояния пути показывает, что в настоящее время нет единого утвержденного метода, обладающего необходимой точностью и простотой, и в то же время реализованного с помощью автоматизированных систем осмотра и оценки пути.

В настоящее время широкое распространение получают автоматизированные комплексы оценки состояния железнодорожного пути, которые с высокой точностью и достаточной дискретностью определяют следующие параметры:

- величина амплитуды неровностей пути;

- длина неровностей;

- величина ширины плеча балластной призмы;

- величина заполненности балласта в шпальных ящиках.

Таким образом, на основании указанных данных прохода вагона-путеизмерителя становится возможным оценить запас устойчивости в автоматизированном режиме с выявлением ослабленных по критерию обеспечения устойчивости против выброса участков.

Алгоритм оценки запаса устойчивости пути следующий:

Мониторинг факторов, оказывающих наиболее значительное влияние на величину максимально допустимого превышения температуры относительно температуры

закоепления

Состояние рельсовых плетей в плане: величина амплитуды и длины неровности

Состояние балластного слоя

Вычисление величины поправочного коэффициента

Мп>

К_ ко

Л — "

N.

На основании Кф и [ ] вычисляется фактическая величина запаса устойчивости пути [Дуфаат=[А1,]-Кф

С учетом температуры закрепления и фактической температуры рельсов вычисляется прогнозируемая величина запаса устойчивости [Л1,!]"р"г" = [Л{>] Кф - (1р-1зф)

Аппроксимация промежуточных значений величин

кр '»кр

производится с

помощью нейронной сети

Кф - коэффициент, учитывающий фактическое состояние пути и наличие различных отступлений от норм его устройства и текущего содержания.

Поправочный коэффициент Кф определяется по следующей формуле:

к — "Р

Ф д' '"кр

где Ыкр - критическая сжимающая продольная сила для соответствующей конструкции пути в текущем состоянии;

™кр " критическая сжимающая продольная сила для соответствующей конструкции пути в нормативном состоянии.

[А^] - допускаемое повышение температуры рельсовых плетей относительно температуры их закрепления в рассматриваемом сечении пути, определяемое в соответствии с типом конструкции пути, параметрами плана линии по таблице 2.1 ТУ-2012.

Г> «ДД£у]

В качестве значения Л'!ф • принята сжимающая продольная сила при величине амплитуды неровности 10 мм длиной 30 метров, что соответствует 1-й степени неисправности пути. Как известно, к первой степени относятся неисправности, не требующие выполнения работ по их устранению, то есть наличие подобных отступлении в действующем пути носит массовый характер. Если величина коэффициента превышает единицу, то данная конфигурация пути считается температурно устойчивой и значение коэффициента принимается равной единице.

Величины поправочных коэффициентов для радиусов 250 и 400 метров представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Величины поправочных коэффициентов

Длина неровности Радиус 250 Радиус 400

Стрела изгиба, мм

5 10 15 20 30 5 10 15 20 30

4 1,000 0,957 0,924 0,891 0,870 0,944 0,834 0,779 0,760 0,723

5 1,000 0,935 0,913 0,870 0,848 0,926 0,816 0,760 0,742 0,705

6 0,989 0,935 0,891 0,848 0,848 0,920 0,816 0,760 0,723 0,686

7 0,989 0,913 0,891 0,848 0,826 0,927 0,807 0,742 0,723 0,668

8 0,989 0,913 0,870 0,826 0,804 0,927 0,816 0,742 0,705 0,649

9 0,989 0,913 0,870 0,826 0,804 0,890 0,821 0,743 | 0,705 0,649

10 0,989 0,913 0,870 0,826 0,804 0,911 0,834 0,756 0,705 0,649

11 1,000 0,935 0,891 0,848 0,804 0,911 0,853 0,779 0,723 0,668

12 1,000 0,935 0,891 0,848 0,804 0,932 0,869 0,793 0,732 0.793 0,668

15 1,000 0,957 0,913 0,8701 0,826 0,975 0,932 0,853 0,723

20 1,000 1,000 0,957 0,935 0,870 1,000 1,000 0,954 0,889 0,816

30 1,000 1,000 1,000 1,000 0,978 1,000 1,000 1,000 1,000 0,964

В первом приближении рекомендуется ввести ранжирование бесстыкового пути по величине относительного запаса устойчивости, подобное категорированию системы УРРАН (при дальнейшем исследовании данные параметры можно установить более точно) на четыре зоны безопасности в зависимости от понижения максимально допустимых превышений температур относительно температуры закрепления [Д1у] - [дуфа|гг.

Апробация методики проведена на участке Инза - Ново-Образцовое Куйбышевской железной дороги на основании прохода вагона-путеизмерителя КВЛ-П. Схема формирования выходных данных, а также ранжирование 889 км рассматриваемого участка на зоны безопасности представлены на рисунках 8,9.

а | ю

'.-'-Л. ;

ЩМ 1 1

1

1 ■ - ■■ ■ ' ' ЧГ-'-.- - ' ...>'• 1 [ 1 д , " | 1—^-----.г -у...'...........-Л-.-И^.^и-__]и и 1 1:( I" . ■

Протяженность участка, м

Рисунок 8 - Схема формирования выходных данных, 889 км

5(Ю

Протяженность участка, м

Рисунок 9 - Выходные данные по оценке безопасности эксплуатации бесстыкового пути с точки зрения его устойчивости против выброса, 889 км

Основные результаты и выводы

1. На основании анализа существующей терминологии в области эксплуатации бесстыкового пути, применяемой в наиболее известных источниках, предложена терминология, используемая в данной работе.

2. На основании анализа преимуществ и недостатков существующих аналитических способов определения устойчивости против выброса разработана и апробирована конечно-элементная модель бесстыкового пути, учитывающая все наиболее значимые силы сопротивления рельсошпалыюй решетки перемещениям под действием продольных усилий. Сравнительный анализ результатов, полученных посредством разработанной модели, показывает хорошую сходимость с данными, полученными с помощью наиболее известных методик по определению максимально допустимых превышений температуры относительно температуры закрепления.

3. Проведен эксперимент по созданию критических продольных усилий в рельсовых плетях с помощью гидравлических цилиндров, а также, с помощью разработанной модели, выполнен аналитический расчет максимально допускаемых продольных усилий. Полученные формы искривления имеют достаточно близкие значения, что говорит об адекватности получаемых с помощью конечно-элементной модели результатов как при различных видах нагружения, так и при сочетании различных начальных условий: величины сопротивлений перемещениям рельсошпалыюй решетки и геометрии пути.

4. Проведен анализ влияния отступлений от норм содержания в плане на устойчивость бесстыкового пути. Показаны формы локальных отступлений, совпадающие по форме с критическими для данного сочетания факторов, то есть такие величины длины и стрелы изгиба неровности, при которых снижение максимально допустимых превышений температур достигает наибольших значений. Стоит отметить, что критической формой неровности в общем случае является не конкретное значение длины и амплитуды неровности, а интервалы длин для различных значений стрелы изгиба.

5. Проведена оценка устойчивости при наличии отступлений от норм содержания балластного слоя при наличии 1-25 шпал без плеча балластной призмы. Получены значения снижения критических усилий для кривых различных радиусов.

6. С помощью программы-макроса, разработанного в среде Visual Basic for Applications, добавлен вариативный фактор формирования сил сопротивления перемещениям рельсошпальной решетки, что позволяет приблизить моделирование к реальной работе действующей конструкции верхнего строения пути.

7. Разработана методика и алгоритм определения запаса устойчивости в любом сечении пути с помощью корректирующего коэффициента, представляющего собой частное критической сжимающей продольной силы для соответствующей конструкции пути в текущем состоянии Л/,ф и

критической сжимающей продольной силы для соответствующей конструкции пути в пути в нормативном состоянии (то есть при наличии отступлений от норм содержания пути в плане, а таюке отступлений от норм содержания балластного слоя). В качестве значения принята сжимающая продольная сила при величине амплитуды неровности 10 мм длиной 20 метров, что соответствует 1-й степени неисправности пути. Преимуществом данной методики является возможность ее применения на базе автоматизированных средств оценки состояния железнодорожного пути.

8. Апробирована предложенная методика по определению запаса устойчивости на основании прохода вагона-путеизмерителя КВЛ-П направления Инза - Ново-Образцовая. Проведено ранжирование полученных результатов в зависимости от фактического текущего состояния пути по критерию обеспечения устойчивости против выброса. Категорирование проводится таким образом, чтобы облегчить дальнейшее интегрирование полученных результатов в технологию комплексной оценки состояния бесстыкового пути системы УРРАН.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в лсурнапах, входящих в перечень рекомендуемых ВАК ведущих периодических изданиях:

1. Овчинников Д.В. Оценка снижения устойчивости бесстыкового пути при наличии критической неровности // Вестник транспорта Поволжья: №6(36) ноябрь-декабрь 2012 г. - С. 92 - 96.

2. Овчинников Д.В., Покацкнй В.А., Суслов O.A. Оценка устойчивости бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане методом конечных элементов // Вестник транспорта Поволжья №6(42) ноябрь-декабрь 2013 г. - С. 87-93.

3. Овчинников Д.В., Покацкий В.А. Оценка устойчивости бесстыкового пути при наличии вариативного фактора сил сопротивления перемещениям рельсошпальной решетки// Вестник транспорта Поволжья №1(43) ноябрь-февраль 2014 г. - С. 91 - 101.

- в трудах конференций с международным участием:

4. Овчинников Д.В., Покацкий В.А. Применение метода конечных элементов к моделированию работы бесстыкового пути // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования и эксплуатации железных дорог: труды IV Всероссийской научно-практической конференции с международным

участием, Иркутск, 19 - 23 апреля 2010 г.: в 2 т. - Иркутск: ИрГУПС, 2010. -Т.1. - С. 316 — 321.

5. Овчинников Д.В., Покацкий В.А. Оценка устойчивости бесстыкового пути с помощью метода конечных элементов // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути. IX научно-техническая конференция с международным участием (г. Москва 4 — 5 апреля 2012г.) Чтения, посвященные 108-летию профессора Г.М. Шахунянца - М.: МИИТ. С. 206 - 210.

6. Овчинников Д.В., Покацкий В.А. Моделирование процесса потери устойчивости пути на экспериментальном полигоне СамГУПС// Наука и образование транспорту: материалы VI Международной научно-практической конференции (2013, Самара). Международная научно-практическая конференция «Наука и образование транспорту», 2013 г. [Текст]. - Самара: СамГУПС, 2013. - С. 371 - 373.

- в других печатных изданиях:

7. Овчинников Д.В., Покацкий В.А. Повышение безопасности эксплуатации бесстыкового пути // Двенадцатая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов»: Труды - 20-21 октября 2011 г., Москва, Россия. - С. III-14 - III-15.

8. O.A. Суслов, A.A. Новиков, Д.В. Овчинников Повышение качества работ по воду плетей в расчетный температурный интервал// Третья научно-практическая конференция «Безопасность регионов — основа устойчивого развития»: Материалы - 12-15 сентября 2012 г., Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2012. с 249-253.

9. Овчинников Д.В., Суслов O.A. Терминология по вопросам устойчивости бесстыкового пути // Железнодорожный путь Поволжья: сб. науч. тр. — Вып. 1.-Самара: СамГУПС, 2012.-С. 10-12.

10. Овчинников Д.В., Покацкий В.А. Определение граничных условий при моделировании устойчивости бесстыкового пути методом конечных элементов // Железнодорожный путь Поволжья: сб. науч. тр. — Вып. 1. -Самара: СамГУПС, 2012.-С. 17-20.

11. Овчинников Д.В., Покацкий В.А., Суслов O.A. Обеспечение устойчивости бесстыкового пути с учетом отступлений от норм его текущего содержания // Повышение эффективности устройства и содержания железнодорожного пути: сборник трудов ВНИИЖТ. Москва 2014. С. 92 - 96.

Овчинников Дмитрий Владиславович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ С УЧЕТОМ ЕГО ФАКТИЧЕСКОГО ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать Sí СктЯвРА 2014г.

Заказ № ./О.-?

Тираж 80 экз.

Формат 60x84/16

Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ. Усл. печ. л. 1,5.