автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Расширение сферы применения бесстыкового пути в сложных эксплуатационных и природно-климатических условиях

На правах рукописи

СУСЛОВ ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАСШИРЕНИЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

БЕССТЫКОВОГО ПУТИ В СЛОЖНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.22.06 — "Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Покацкий Владимир Афанасьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коган Александр Яковлевич кандидат технических наук, профессор Воробьев Эдуард Викторович Ведущая организация: Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС)

Защита состоится « 28 » сентября 2004 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 218.009.02 при Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения по адресу: 125993, г. Москва, Часовая ул., д. 22/2. С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке университета.

Автореферат разослан « 20 »_августа_2004 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор_

Алейников И. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Новые экономические условия работы железнодорожного транспорта, развитие хозрасчета и формирование рынка транспортных услуг, усиление внутриотраслевой и межотраслевой конкуренции между транспортными предприятиями - все эти объективные обстоятельства заставляют искать пути повышения эффективности работы железных дорог. Основные направления для решения этих задач изложены в принятой, на расширенном заседании Коллегии МПС России, перспективной программе развития путевого хозяйства, направленной на повышение эффективности работы пути при одновременном снижении затрат на его содержание. Основными направлениями этой программы являются широкое распространение эффективных конструкций пути, применение на ремонте и содержании пути машинизированных комплексов, оснащенных техническими средствами нового поколепия.

Одним из таких направлений является расширение полигона укладки бесстыкового пути, обеспечивающего повышение скоростей движения с сохранением безопасности движения поездов, комфортабельности перевозки пассажиров, а так же одновременное снижение эксплуатационных затрат на его содержание.

Часть сети железных дорог России находится в сложных эксплуатационных (большое количество кривых малого радиуса, тяжелый тип тягового подвижного состава) и климатических условиях (большие сезонные и суточные колебания температур). По существующим нормативным документам, полигон применения типовой конструкции бесстыкового пути в условиях ВСЖД без каких-либо эксплуатационных ограничений составляет мене 80 % от общей протяженности развернутой длины главпых путей. Учитывая значительную экономическую эффективность конструкции бесстыкового пути, задача расширения сферы его применения является весьма

РОС НАЦИОНАЛЬНА*} БИБЛИОТЕКА , I

гагвг/Я

Цель настоящей работы - расширения сферы применения бесстыкового пути в кривых малого радиуса в условиях экстремальных температур, за счет увеличения его поперечной устойчивости.

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;

- методы статистической обработки результатов экспериментов и их корреляционного анализа;

- эксплуатационные наблюдения за температурной работой плетей бесстыкового пути в различных условиях и анализ полученных данных с помощью индивидуально разработанных аналитических программно-прикладных средств.

Научную новизну представляют:

- конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути с нелинейными силами сопротивления деформациям и возможностью исследования процесса деформирования рельсо-шпальной решетки под действием продольных температурных сил, в том числе в кривых малого радиуса при наличии неустойчивости 2-го рода;

- предложенная методика оценки выброса бесстыкового пути и полученные на его основе, расчетные значения максимально допустимых температур нагрева рельсовых плетей для кривых, различных радиусов;

- экспериментально определенные силы сопротивления поперечным перемещениям шпал в балласте в зависимости от применяемого типа балластоуп-лотнительных машин и стадии капитального ремонта.

Практическая ценность диссертации:

- на основе предложенной методики уточнены значения допускаемых температур нагрева по условию устойчивости плетей для кривых малого радиуса;

- установлено влияние различных сил сопротивления деформациям рель-со-шпалыюй решетки на общую поперечную устойчивость бесстыкового пути;

- разработана и внедрена на предприятиях ВСЖД система мониторинга работы плетей бесстыкового пути на основе электронного паспорта.

На защиту выносятся:

- конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути позволяющая отслеживать весь процесс деформирования релъсо-шпальной решетки под действием температурных сил;

- методика оценки выброса бесстыкового пути на основе анализа скорости роста поперечных деформаций;

- система оценки устойчивости плетей бесстыкового пути на основе электронного паспорта.

Реализация и апробация- работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены: на научно-практической конференции "ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу", проходившей в СГУПСе 27-29 ноября 2002 г., на Третьей Международной научной конференции творческой молодежи, проходившей 15-17 апреля 2003 г. в ДВГУПСе, на расширенной дорожной школе ВСЖД, на заседаниях кафедры "Путь и путевое хозяйство" ИрГУПСа и СГУПСа.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 статьях и 1 информационном листке.

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, трех приложений, и списка литературы 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введепии обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, показана научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ факторов, обуславливающих эффективность бесстыкового пути и экономическая оценка влияния этих факторов. Определен полигон применения бесстыкового пути по действующим нормативным документам. Выявлены основные барьерные места для расширения полигона укладки бесстыкового пути, а так же основные направления их устранения.

Один из факторов, обуславливающих эффективность применения бесстыкового пути по сравнению со звеньевой конструкцией - это уменьшение дополнительных затрат на преодоление сил сопротивления движению поезда. Дополнительные затраты связаны с наличием у звеньевой конструкции "углов" в стыках, которые, при взаимодействии с подвижным составом вызывают потери энергии и величина которых зависит от значений "углов" и эксплуатационных характеристик участка. Проведенное моделирование изгиба рельсо-шпальной решетки в плане выявило локальное изменение паспортного радиуса кривой в стыковой зоне (см. рис. 1). Эксплуатационные измерения фактических "углов" в стыках подтвердили их зависимость от радиуса кривой, причем значения "углов" увеличиваются с наработкой тоннажа и достигают величины более 3° при радиусе кривой 300 м.

Дополнительные затраты вызванные наличием "углов" в денежном выражении, для эксплуатационных условий ВСЖД составляют - 20,8 млн. руб. в год, а возрастание этих величин наиболее значимо в кривых, радиуса 600 м и менее (103305 руб/км в год - кривые, радиусом 300 м, 23205 руб/км в год -кривые, радиусом 450 - 599 м).

Длине эаона м

Рис. 1 Распределение кривизны пути по длине звена после изгиба Наиболее эффективный способ уменьшения этой доли затрат — укладка бесстыкового пути. На основании действующих нормативных документов определена сфера применения существующей конструкции бесстыкового пути. В условиях ВСЖД, без каких-либо эксплуатационных ограничений бесстыковой путь можно укладывать в прямых и кривых радиусом до 600 м включительно, однако протяженность кривых, с радиусами менее 600 м составляет более 20% от общей протяженности главных путей ВСЖД, что с учетом экономических факторов делает задачу расширения полигона укладки бесстыковой конструкции для этих кривых достаточно актуальной.

Для расширения сферы применения бесстыкового пути за счет увеличения поперечной устойчивости необходимы дополнительные технические мероприятия, при этом возможно удорожание конструкции, максимальная величина которого, определенная из условия минимальной экономической эффективности с учетом срока окупаемости составляет от 2038900 руб/км до 1242530 руб/км в зависимости от радиуса кривой.

Во второй главе проведен анализ основных методов расчета поперечной устойчивости бесстыкового пути, как отечественных, так и зарубежных иссле-

дователей, дано обоснование применения метода конечных элементов для исследования процесса потери устойчивости пути.

Изучением процесса потери устойчивости занимались многие ученые, как в России, так и за рубежом. На начальном этапе становления конструкции основное направление исследований было экспериментальным: во ВНИИЖТе, в лаборатории бесстыкового пути, под руководством к.т.н. Е.М. Бромберга была проведена огромная серия экспериментов по исследованию устойчивости плетей под воздействием продольных сжимающих сил. В дальнейшем эта работа была продолжена к.т.н. Н.Б. Зверевым и к.т.н. Н.П. Виногоровым.

Одновременно с экспериментами шла разработка аналитических методов расчета параметров процесса потери устойчивости бесстыкового пути.

За годы исследований российскими и зарубежными учеными были созданы различные варианты расчета продольных критических сил в рельсах. В России одними из первых фундаментальных по расчету устойчивости бесстыкового пути были работы д.т.н. ^Н. Мищенко и д.т.н. СП. Першина.

В работах д.т.н. АЛ. Когана получено основное дифференциальное уравнение равновесия бесстыкового пути под действием продольных сжимающих сил и его аналитическое решение в явном виде, определяющее работу плетей на устойчивость. В его дальнейших исследованиях совместно с д.т.н. В.А. Грищенко получены критические параметры сил и перемещений, соответствующие наихудшей форме начальной неровности. Это решение в своих работах использовал к.т.н. А. В. Савин для оценки фактической устойчивости плетей бесстыкового пути. На основании основного дифференциального уравнения д.т.н. В.И. Новакович разработал теорию устойчивости бесстыкового пути с учетом процессов ползучести в балластном слое. На основании того же уравнения д.т.н. М.Ф. Вериго разработал метод имитационного моделирования, который позволяет проследить весь процесс выброса бесстыкового пути.

Развитие компьютерной техники значительно повысило эффективность численных методов, в том числе и метод конечных элементов, который на сегодняшний день широко применяется для расчетов конструкций различной сложности. В России одними из первых этот метод для исследования устойчивости бесстыкового пути применили к.т.н. М.В. Безруков и д.т.н. Э.П. Исаенко.

В данной работе не ставится задача дальнейших уточнений решений по определению критических сил, при которых происходит выброс бесстыкового пути, а ставится задача изучения процессов, происходящих при потере устойчивости, что представляется важным:

1) для более полного понимания сложного явления - устойчивость бесстыкового пути;

2) для разработки мероприятий по повышению его устойчивости.

С учетом вышеизложенных требований и оценки существующих наработок в этой области, в данной работе для решения поставленной задачи принят метод конечных элементов.

В третьей главе представлены результаты теоретических исследований по исследованию поперечной устойчивости бесстыкового пути: сделан выбор расчетной схемы; дана методика определения допускаемых температур нагрева рельсовых плетей на основе анализа скорости роста поперечных деформаций; проведен расчет влияния неровностей в плане на поперечную устойчивость бесстыкового пути.

Для создания конечно-элементной модели был использован вычислительный комплекс MSC/Nastran, разработка фирмы M-N.S.C. (США).

При моделировании пути принимались следующие допущения:

1) Рельс представлен в виде балки, с геометрическими характеристиками, соответствующими геометрическим характеристикам рельсов по ГОСТ Р51685-2000;

2) Шпалы перемещаются параллельно самим себе, в кривых участках пути расположены радиально;

3) Силы сопротивления угловым деформациям в виду своей малости носят линейный характер - где рад - угол поворота рельса в сечении над узлом скрепления; г, Н*м/рад - жесткость узла скрепления на кручение;

4) Силы сопротивления поперечным перемещениям определяются выра-

5) Колцевые сечения у модели жестко защемлены;

6) Длина участка пути в модели принята 75 м, что при наблюдаемой длине волны выброса 12-20 м, позволяет убрать влияние граничных условий модели.

Расчетный радиус кривой в модели - от 300 до 800 м, промежуточное скрепление - КБ65, балласт щебеночный.

Модель рельсошпалыюй решетки представляет собой балочные элементы (тип BEAM), скрепленные между собой жесткими элементами (тип RIGID), передающими поперечные перемещения. Вдоль шпал расположены балочные элементы с нелинейными свойствами, моделирующие работу балластного слоя. В узлах скреплений приложены элементы, работающие на кручение, моделирующие сопротивление скреплений повороту (см. рис. 2).

Нагрузка на модель задавалась в виде температурного воздействия на элементы, моделирующие рельсовые плети. Результаты расчета представлены в табличном виде (см. таб. 1) и графическом видах (см. рис.3).

Рис. 2 Фрагмент конечно-элементной модели бесстыкового пути 1 - элемент, типа BEAM, моделирующий рельс, 2 - элемент, типа RIGID, моделирующий шпалу, 3 - элемент с нелинейной жесткостью, моделирующий сопротивление шпалы поперечному сдвигу, 4 - элемент, типа SPRING, моделирующий сопротивление узла скрепления повороту, 5 - закрепление степеней свободы

Рис. 3 Форма деформации бесстыкового пути при его нагреве ^=400 м) На основании данных расчета был проанализирован процесс потери устойчивости бесстыкового пути и после рассмотрения существующего критерия устойчивости для бесстыкового пути (критерий максимальных поперечных перемещений, экспериментально определенный Е. М. Бромбергом - 0,2 мм в кривых и 0,4 мм в прямом участке пути), была разработана методика оценки устойчивости, основанная на анализе скорости роста поперечных деформаций -

где скорость деформаций - это отношение приращения деформаций 8у , к приращению температурной нагрузки 8Т

Таблица 1

Результаты расчета поперечных сдвижек пути в зависимости от

температуры нагрева плети

11 = 300 м Я= 350 м Я = 400 м 11= 500 м Я = 600 м Я = 800 м

т,с° у, мм Т,С° у, мм Т,С° у, мм Т,С° у, мм Т,С° у, мм Т,С° у, мм

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

20 0.03 20 0.03 20 0.0225 20 0.014 20 0.0138 20 0.013

40 0.1 40 0.073 40 0.0505 40 0.029 40 0.0267 40 0.026

50 0.31 50 0.119 50 0.0799 50 0.039 50 0.0327 50 0.032

53 0.71 60 0.401 60 0.1466 60 0.056 60 0.0403 60 0.039

54 1.33 63.57 2.02 70 0.6465 70 0.083 70 0.055 70 0.047

55 6.07 63.61 13.7 71.6 1.2309 75 0.104 90 0.1078 90 0.076

56 18.67 65 40 71.61 32.279 80.09 0.165 96 0.1598 105 0.105

57 32.7 70 97.94 75 108.82 85 0.285 101 0.2832 110 0.122

60 67.5 88.35 0.594 104.09 0.9452 120 0.216

70 166 88.36 190.1 104.091 101.74 129.66 0.929

129.67 35.26

В результате анализа весь процесс деформирования рельсо-шпальной решетки от воздействия температурпых сжимающих сил в зависимости от скорости роста деформаций можно разделить на 4 этапа (см. рис.4).

Этап линейно-постоянного роста скорости деформаций (преодоление сил начальных сопротивлений); этап нелинейного роста скорости деформаций (предвыбросное состояние пути, когда возможно появление неупругих поперечных деформаций); этап обвального роста скорости деформаций (момент выброса бесстыкового пути); этап затухания скорости роста деформаций (произошла разрядка продольных сил за счет сильного искривления плетей и скорость роста деформаций уменьшается). За момент выброса была принята верхняя граница второго этапа (момент начала этапа обвального роста скорости деформаций).

Температура нагрева, С"

Рис.4 Этапы роста скорости деформаций В результате моделирования и дальнейших расчетов были определены расчетные критические температуры для кривых различных радиусов и произведено их сравнение с данными, заложенными в действующие ТУ-2000 (см. таб. 2).

Таблица 2

Допускаемые температуры нагрева рельсовых плетей по условию

устойчивости пути от выброса в зависимости от критерия

Моделирование Разность, %

Радиус кривой, м Значение [А1у],С° по ТУ-2000 Значение [Д1у],С°по критерию перемещений Значение [Д1у], С0 по критерию скорости деформаций По критерию перемещений по критерию скорости деформаций между критериями

350 35 33.3 34.2 4.8 2.2 2.6

400 38 37.7 39.8 0.7 4.7 5.2

500 41 48.3 49.1 17.9 19.7 1.5

600 43 56.9 57.8 32.4 34.5 1.5

800 47 70.8 72.0 50.7 53.3 1.7

По результатам сравнения можно сделать вывод, что критерий устойчивости, основанный на анализе скорости роста поперечных деформаций, достаточно точно отражает реальную работу конструкции пути, поскольку макси-

мальная разница расчетных допускаемых температур, полученных с помощью моделирования в зависимости от критерия, составляет 5.2 %, а критерий максимальных поперечных перемещений был определен экспериментально во ВНИИЖТе и подтвержден многолетним опытом эксплуатации.

Максимальная разница между значениями температур по результатам моделирования и значениями из действующих ТУ-2000, составляет 53.3 %, при радиусе кривой 800 м, а минимальная - 2,2 %, при радиусе 350 м. Данный факт объясняется наличием начальных неровностей в плане на экспериментальном участке. Как показало моделирование, при наличии в экспериментальной кривой радиусом 800 м минимальной неровности величиной 1-2 мм уменьшение критической силы составляет около 30% (см. рис. 5), а если учесть их возможные сочетания, то эта величина может значительно увеличиться. 60 1

60 •

г* 2"

§ 40 •

45

0 ' X

и

9

| зо -

69

1 20$

Ф

10 -О -

О 3 6 9 12

Неровность, мм

Рис.5 Уменьшение критической силы в зависимости от величины неровности пути в плане при различных радиусах кривой 1 - кривая R=300 м, 2 - кривая R=350 м, 3 - кривая R=400 м, 4 - кривая R=500 м, 5 - кривая R=600 м, 6 - кривая R=800 м.

В четвертой главе проведен расчет эффективности основных мероприятий, повышающих поперечную устойчивость бесстыкового пути; приведены результаты экспериментальных исследований сил сопротивления поперечным перемещениям шпал в балласте при различном состоянии балластного слоя, а так же представлены результаты эксплуатационных испытаний "омоноличива-ния" балластного слоя.

Все способы повышения устойчивости бесстыкового пути против выброса можно разделить на три основные группы:

1) Способы, повышающие устойчивость за счет увеличения сил сопротивления поперечным перемещениям;

2) Способы, повышающие устойчивость за счет увеличения рамной жесткости рельсошпальной решетки;

3) Комбинированные методы.

Для оценки технической эффективности методов повышения устойчивости была использована конечно — элементная модель бесстыкового пути, у которой был просчитан ряд значений допускаемого повышения температуры нагрева плетей по условию устойчивости пути Д1ур с возрастающими силами различных сопротивлений. Расчеты показали, что основной вклад (более 90 %) в увеличение поперечной устойчивости пути вносят силы сопротивления поперечному сдвигу шпал в балласте, следовательно, с технической точки зрения гораздо более выгодно увеличивать значение сил сопротивления поперечным перемещениям рельсошпальной решетки.

С учетом коэффициента запаса, повышение сил сопротивления шпал поперечным перемещениям на 50 % вызывает повышение [Д^] в кривой R = 350м на 15 С°. Для определения фактических значений сил сопротивления поперечным перемещениям шпал в балласте были проведены их экспериментальные исследования, главной задачей которых было выявление зависимости сил сопротивления от рода балласта, пропущенного по участку тоннажа, применен-

ной технологии капитального ремонта пути, а так же стадии ремонтных работ. Было разработано переносное гидравлическое оборудование. Экспериментальные исследования и обработку полученных данных проводили в соответствии с разработанной методикой. На основании результатов экспериментов были определены силы сопротивления, значения которых аппроксимировались функцией вида: (} = В-аг^^-^, где В и Ь - коэффициенты к функции, у - величина

поперечных перемещений. В таблице 3 представлены значения этих коэффициентов для различных эксплуатационных условий, а так же коэффициент корреляции - для экспериментальных данных и аппроксимирующей функции.

Из результатов экспериментов очевидно, что максимальное значение сил сопротивления достигается путем "омоноличивания" плеча балластной призмы, именно этот метод был принят для дальнейших эксплуатационных испытаний.

Таблица 3

Значения коэффициентов при различных состояниях балластного слоя и

стадии капитального ремонта пути

Характеристика участка В, Н ¿*10"3, м"1 г

Путь поднят на чистый балласт, ящики засыпаны 3202,83 0,861 0,95

Путь выправлен ВПО-ЗООО, концы шпал засыпаны 3963,25 0,359 0,91

Путь обкатан (40 млн.т), машина Доумат (1 проход) без уплотнения плеча 4991,22 0,264 0,96

Путь обкатан (41 млн.т.), машина Доумат (2 прохода) без уплотнения плеча 5509,79 0,262 0,96

Путь обкатан (41,3 млн.т.), машина Доумат (2 прохода), с уплотнением плеча балластной призмы виброплитой 6482,11 0,26 0,96

Плечо "омоноличено" 9795.99 0,257 0,99

Начальные исследования по "омоноличиванию" балласта были выполнены во ВНИИЖТе (работы А.А. Шиладжян). Качественно укрепление балласта вяжущими материалами делится на "омоноличивание" путем заполнения всех пустот в щебеночной призме (битумные вяжущие материалы с высокой вязкостью) и "омоноличивание" путем образования упруго-склеивающей зоны с помощью вяжущих материалов только в местах контактов зерен щебня (вяжущие жидкой консистенции - латексы и.т.д.). В результате лабораторных исследований был принят материал для "омоноличивания" - латекс СКС-65ГП и разработана технология "омоноличивания" балласта, которая состоит из двух основных этапов:

- в первый период сезона путевых работ происходит укладка рельсо -шпальной решетки с инвентарными рельсами, производится полная обкатка пути, с укладкой плетей и их закреплением на постоянный или временный режим работы;

-на втором этапе (температура воздуха днем и ночью устойчиво держится более О С) производится повторная выправка пути в плане и профиле с полным комплексом уплотнительных работ, при необходимости производится ввод плетей в расчетный интервал, и непосредственно "омоноличивание".

Наторно-перевальном участке ВСЖД был заложен экспериментальный участок с "омоноличенной" рельсо-шпальной решеткой (подъем - 15 %0, в кривой, радиусом 304 м, длина - 231 м, грузонапряженность на участке - 78,1 млн.т км брутто/км в год, установленная скорость 60/65 для грузовых и пассажирских поездов соответственно), и на расстоянии 50 м от него выбран контрольный (радиус 317 м, длина - 241 м), балласт на котором не подвергался обработке. Путь па участке после капитального ремонта, с применением комплекса выправочных работ и осадкой балласта. Результаты эксплуатационных наблюдений показали, что интенсивность накопления неисправностей в плане

на "омоноличенной" кривой меньше на 30-40 %, по сравнению с контрольным участком.

В пятой главе приведен обзор существующих методов оценки фактического напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей; предложен программный продукт, позволяющий автоматизировать процесс контроля за фактическим напряженным состоянием рельсовых плетей.

Одна из особенностей бесстыкового пути — наличие в рельсовых плетях сжимающих (летом), и растягивающих (зимой), продольных напряжений. Они появляются в результате изменения температуры рельсов, что учитывается при расчетах пути. Однако в процессе эксплуатации могут возникать и напряжения, вызванные другими, нерасчетными, причинами — угоном, динамическими воздействиями подвижного состава (особенно в режиме торможения), неравномерном закреплением плетей и ослаблением их в процессе эксплуатации, разрыхлением балластной призмы при работах без последующего, достаточного уплотнения, проведение ремонтных работ и др.

Для оценки фактического напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей применяются различные методы (непосредственные измерения, механические, визуальные, магнитные, ультразвуковые), однако по действующим нормативным документам, в качестве основного метода определения фактического температурного состояния бесстыкового пути указан метод контроля подвижек плети на маячных шпалах, обработка значений которых, по методике, указанной в ТУ-2000, позволяет отслеживать только изменение температуры закрепления по длине плети. Созданная на базе офисных приложений, программа "АРМ инженера-технолога по бесстыковому пути", позволяет, на основе анализа введенных подвижек плети, помимо изменения температуры определять запасы устойчивости и прочности пути, от воздействия продольных сжимающих или растягивающих сил. Программа имеет следующие режимы работы:

1) создание карточки плети с полной информацией о ней;

2) внесение записей в журнал учета службы и температурного режима рельсовых плетей;

3) регистрация и анализ измеренных сдвижек плети на маячных шпалах.

В карточку плети входят следующие листы: характеристика плети; журнал службы и учета температурного режима плетей; журнал сдвижек; журнал анализа сдвижек. Все выходные формы журналов соответствуют утвержденным в действующих нормативных документах. Анализ сдвижек осуществляется по специально разработанной методике. В результате анализа определяется температурный эквивалент продольной силы, действующей в плети, а так же фактическое значение температуры закрепления по длине плети. Результаты анализа программно интерпретируются в графики их распределения по длине плети. Помимо основных функций имеется набор сервисных дополнений, таких как формирование и печать вкладыша в книгу ПУ-28, а так же формирование и печать списка путевых работ с оценкой возможности их производства. Наличие электронной базы данных по плетям позволяет оперативно оценивать их фактическое состояние как на уровне дистанции пути, так и на уровне службы.

В шестой главе проведен расчет экономической эффективности предлагаемой конструкции бесстыкового пути с учетом удорожания на "омоноличи-вание" и определен приведенный экономический эффект от применения этой конструкции в кривых малого радиуса для эксплуатационных условий ВСЖД.

Эффективность применения данного типа верхнего строения пути в целом и его элементов оценивают системой технических, экономических, натуральных и экологических показателей. При расчете эффективности инвестиций преимущество между вариантами, если они отличаются друг от друга только потребными инвестиционными вложениями и эксплуатационными расходами, можно определять по модифицированной сумме приведенных строительно-эксплуатационных расходов, тыс. рублей.

ЭпрГКчХЕм+О-^хС,

где К,- требуемые капитальные вложения; Ем - модифицированная норма дисконта; у - доля налоговых отчислений от прибыли; С^ - эксплуатационные расходы по варианту.

Дополнительное усиление кривых "омоноличиванием" требует дополнительных капитальных вложений, значение которых зависит от стоимости ла-тексного материала, необходимого для омоноличивания и трудозатрат, необходимых на его проведение. Максимальная расчетная величина удорожания, определенная из условия минимальной экономической эффективности с учетом срока окупаемости составила от 2038900 руб/км до 1242530 руб/км в кривых радиусом от 300 м до 800 м. В зависимости от количества путей, при ширине плеча 45 см, расход латекса (при его дозировке 1,5 % от массы щебня) составляет 8,3 т. (однопутный) и 8,8 т. (двухпутный). Отпускная цена латекса с учетом транспортных расходов для региона Восточной Сибири - 45 руб/кг. Затраты на "омоноличивание" с учетом стоимости нанесения латекса составляют 398,4 тыс. руб/км и 422,4 тыс. руб/км в зависимости от числа путей, что не превосходит максимальных расчетных значений. При определении суммы приведенных строительно-эксплуатационных расходов, доля расходов; связанных с сопротивлением движению поезда для звеньевой конструкции определялась согласно ранее разработанной методики, дифференцировано для каждого радиуса с учетом сферы применения. Как показали расчеты, в кривых, радиусом от 600 м и более разница между показателями Эщ>| для звеньевой конструкции и бесстыкового пути усиленной конструкции несущественна (от 1,2 до 2 %), однако с возрастанием радиуса эта разница увеличивается до 10,5 %, что говорит об увеличении эффективности применения в кривых малого радиуса бесстыкового пути усиленной конструкции. Средний расчетный годовой экономический эффект от применения бесстыкового пути в кривых, радиуса менее 600 м составляет 100000 - 120000 руб/км в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана конечно-элементная модель устойчивости бесстыкового пути, с нелинейными характеристиками сил сопротивления деформациям рель-со-шпальной решетки, которая позволяет производить расчет параметров процесса деформирования рельсо-шпальной решетки под действием температурных сил, в том числе в кривых малого радиуса при наличии больших значений поперечных перемещений, т.к. в таких кривых не наблюдается потеря устойчивости 1-го рода (смена положения равновесия), а возникает неустойчивость 2-го рода. В результате моделирования получены значения поперечных деформаций рельсо-шпальной решетки в процессе ее нагрева, и предложена методика определения допускаемых температур нагрева плетей, основанная на анализе скорости роста поперечных деформаций, а так же определено влияния начальных неровностей пути в плане на устойчивость плетей.

2. Выполненные расчеты показали, что экономический эффект от применения бесстыкового пути возрастает с уменьшением радиуса кривой. Данный факт обусловлен наличием у звеньевой конструкции дополнительных энергетических затрат на преодоление "углов" в стыках при движении по ним подвижного состава, а величина дополнительных затрат зависит от эксплуатационных условий участка (грузонапряженность, скорость движения поездов) и фактических значений "углов". Проведенный расчет величины дополнительных затрат от наличия "углов" в стыках для эксплуатационных условий ВСЖД показал, что ее значение колеблется от 3000 до 103000 руб/км в год в зависимости от радиуса кривой.

3. Моделирование изгиба рельсо-шпальной решетки при ее укладке показало, что происходит локальное изменение паспортного радиуса звеньев в пред и застыковой зонах, которое вызывает в этих зонах образование "угла". При анализе результатов моделирования выявилась зависимость значений "углов" от радиуса кривой и типа накладок. Фактические измерения углов подтвердили

качественную картину результатов моделирования, причем значения "углов" увеличиваются с наработкой тоннажа и достигают величины более 3° при радиусе кривой 300 м.

4. Обзор существующих методов повышения поперечной устойчивости бесстыкового пути и их техническая оценка, на основе моделирования, показала, что наиболее эффективными являются мероприятия, связанпые с повышением сил сопротивления поперечным перемещениям шпал в балласте. Для определения их фактических значений были проведены экспериментальные исследования, которые показали, что требуемое значение сил сопротивления обеспечивает метод "омоноличивания" плеча балластной призмы. Была разработана технология и эскизные чертежи оборудования для "омоноличивания", а так же их экспериментальная проверка.

5. Для оценки фактического напряженно-деформированного состояния плетей разработано программное обеспечение для технического отдела дистанции пути, функцией которого является формирование начальных форм учета информации по плетям, создание и ведение журналов учета подвижек плети, а так же журнала температурной работы плети. При внесении данных в базу производится их анализ, в результате которого вычисляются запас устойчивости, а так же определяется возможность проведения различных видов путевых работ. Данная система внедрена на ВСЖД.

6. Для усиления поперечной устойчивости типовой конструкции бесстыкового пути в кривых малого радиуса необходимы дополнительные технические мероприятия, при этом происходит удорожание конструкции, максимальная величина которого, определенная из условия минимальной экономической эффективности с учетом срока окупаемости составляет от 2038900 руб/км до 1242530 руб/км в зависимости от радиуса кривой. Дополнительные затраты на "омоноличивание" плеча балластной призмы с учетом стоимости латекса и дополнительных трудовых затрат на его нанесение составляют от 400000 до

450000 руб/км, что не превосходит максимально допустимых расчетных значений. Средний расчетный годовой экономический эффект за счет уменьшения приведенных эксплуатационных затрат при применении бесстыкового пути в кривых, радиуса менее 600 м составляет 100000 - 120000 руб/км в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Покацкий В. А., Суслов О. А. Моделирование устойчивости бесстыкового пути. //Проблемы путевого хозяйства Восточной Сибири.- Сб. науч.тр. -Иркутск: ИрГУПС, 2002. С.40-50.

2. Покацкий В. А., Суслов О. А. Экспериментальные исследования по определению сил сопротивления поперечному перемещению шпал в балласте. //Проблемы путевого хозяйства Восточной Сибири.- Сб. науч.тр. - Иркутск: ИрГУПС, 2002. С.50-54.

3. Ковенькин Д. А., Покацкий В. А. Суслов О. А. Стенд для определения параметров конструкции пути // Проблемы путевого хозяйства Восточной Сибири.- Сб. науч.тр.-Иркутск: ИрГУПС, 2002. С. 129 - 137.

4. Покацкий В. А., Суслов О. А. Исследование сил сопротивления поперечным перемещениям железобетонных шпал // ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБу: Тезисы докладов региональной научно-практической конференции 27-29 ноября 2002 г. - Новосибирск, 2002. С. 121-122.

5. Покацкий В. А., Суслов О. А. Моделирование устойчивости бесстыкового пути.//Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке.- Труды Третьей Международной научной конференции творческой молодежи 15-17 апреля 2003 г.- Хабаровск: ДВГУПС,2003. С. 19-21.

6. Арефьев А. П., Покацкий В. А., Суслов О. А. Электронный паспорт облегчает работу //Путь и путевое хозяйство. - 2003. -N12. - С.21-22.

7. Арефьев А. П., Покацкий В. А., Суслов О. А. АРМ инженера-технолога по бесстыковому пути (информационный листок) // Информационный листок

о передовом производственном опыте. № 1206 (П-74). Иркутск: ДЦНТИ Восточно-Сибирской железной дороги, 2003.

8. Суслов О. А. Горизонтальные стыковые неровности звеньевого пути // Проблемы путевого хозяйства Восточной Сибири.- Сб. науч.тр.- Иркутск: Ир-ГУПС, 2004. С. 156-162.

9. Суслов О. А. Определение затрат на преодоление стыковых неровностей в плане // Проблемы путевого хозяйства Восточной Сибири.- Сб. науч.тр.- Иркутск: ИрГУПС, 2004. С. 167 - 169.

СУСЛОВ ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАСШИРЕНИЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

БЕССТЫКОВОГО ПУТИ В СЛОЖНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.22.06 — "Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия: серия ЛР №021231 от 23.06.97 г. Подписано в печать

Формат 60*90.1/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ ш

Глазковская типография, 664074, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53

Введение.

1. Технико-экономические особенности эксплуатации бесстыкового пути.

1.1 Определение дополнительных затрат на движение поезда в кривых малого радиуса.

1.2 Определение полигона укладки типовой конструкции бесстыкового пути по действующим нормативным документам.

Выводы по главе:.

2. Анализ основных методов определения устойчивости бесстыкового пути.

2.1 Энергетический метод расчета устойчивости бесстыкового пути.

2.2 Метод дифференциальных уравнений равновесия.

2.3 Метод имитационного моделирования.

2.4 Метод конечных элементов.

Выводы по главе:.

3. Моделирование устойчивости бесстыкового пути.

3.1 Теоретические основы метода конечных элементов.

3.2 Конечно-элементная модель устойчивости бесстыкового пути.

3.3 Установление критериев устойчивости пути.

Выводы по главе:.

4. Расширение сферы применения бесстыкового пути на ВСЖД путем "омоноличивания" плеча балластной призмы.

4.1 Основные способы повышения поперечной устойчивости бесстыкового пути.

4.2 Оценка технической эффективности методов повышения устойчивости бесстыкового пути.

4.3 Экспериментальные исследования сил сопротивления поперечным деформациям рельсошпальной решетки.

4.4 "Омоноличивание" плеча балластной призмы.

4.4.1 Технология "омоноличивания" балластной призмы.

4.4.2 Эксплуатационные испытания "омоноличивания" балласта.

Выводы по главе:.

5. Анализ устойчивости бесстыкового пути на основе электронного паспорта плетей.

5.1 Методы определения температурно-напряженного состояния плетей бесстыкового пути.

5.2 Анализ сдвижек плети на маячных шпалах на основе электронного паспорта плети.

5.3 Система ведения мониторинга бесстыкового пути на ВСЖД.

Выводы по главе:.

6. Экономические расчеты эффективности бесстыкового пути.

6.1 Определение основных эксплуатационных расходов.

6.2 Расчет натуральных показателей.

6.3 Определение эффективности вариантов.

Актуальность темы. Новые экономические условия работы железнодорожного транспорта, развитие хозрасчета и формирование рынка транспортных услуг, усиление внутриотраслевой и межотраслевой конкуренции между транспортными предприятиями - все эти объективные обстоятельства заставляют искать пути повышения эффективности работы железных дорог. Основные направления для решения этих задач изложены в принятой, на расширенном заседании Коллегии МПС России, перспективной программе развития путевого хозяйства, направленной на повышение эффективности работы пути при одновременном снижении затрат на его содержание Главными принципами этой программы являются широкое распространение эффективных конструкций пути, применение на ремонте и содержании пути машинизированных комплексов, оснащенных техническими средствами нового поколения [70].

Принятая стратегия позволила в условиях дефицита финансовых ресурсов на основе ресурсосберегающих технологий улучшить основные эксплуатационные показатели работы путевого хозяйства [85].

В свете этих направлений необходимо продолжать перевод железнодорожного пути на бесстыковую конструкцию с железобетонным подрельсовым основанием, как более долговечную и экономичную по сравнению со звеньевым путем с деревянными шпалами [70]. Последнее напрямую связано и с экологическими проблемами, которые обостряются все больше и больше. Использование железобетонных шпал вместо деревянных позволяет сохранить от вырубки в среднем 1 га высококачественного крупноразмерного леса на 1 км пути [41].

С учетом требований нормативных документов типовую конструкцию бесстыкового пути в условиях ВСЖД без каких-либо эксплуатационных ограничений можно применять в прямых и кривых, радиусами от 600 м и более.

Однако применение бесстыкового пути особенно эффективно в кривых малого радиуса, за счет существенного уменьшения эксплуатационных затрат на тягу поездов и содержание пути по сравнению со звеньевой конструкцией.

Протяженность участков с кривыми радиусов от 599 м и менее составляет 20,2% от общей протяженности развернутой длины главных путей, что делает проблему расширения сферы применения бесстыкового пут для этих кривых наиболее актуальной.

Цель настоящей работы - расширения сферы применения бесстыкового пути в кривых малого радиуса, за счет увеличения его поперечной устойчивости.

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;

- методы статистической обработки результатов экспериментов и их корреляционного анализа;

- эксплуатационные наблюдения за температурной работой плетей бесстыкового пути в различных условиях и анализ полученных данных с помощью индивидуально разработанных аналитических программно-прикладных средств.

Научную новизну представляют:

- конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути с нелинейными силами сопротивления деформациям и возможностью исследования процесса деформирования рельсо-шпальной решетки под действием продольных температурных сил, в том числе в кривых малого радиуса при наличии неустойчивости 2-го рода;

- предложенная методика оценки выброса бесстыкового пути и полученные на его основе, расчетные значения максимально допустимых температур нагрева рельсовых плетей для кривых, различных радиусов;

- экспериментально определенные силы сопротивления поперечным перемещениям шпал в балласте в зависимости от применяемого типа балластоуп-лотнительных машин и стадии капитального ремонта.

Практическая ценность диссертации:

- на основе предложенной методики уточнены значения допускаемых температур нагрева по условию устойчивости плетей для кривых малого радиуса;

- установлено влияние различных сил сопротивления деформациям рельсо-шпальной решетки на общую поперечную устойчивость бесстыкового пути;

- разработана и внедрена на предприятиях ВСЖД система мониторинга работы плетей бесстыкового пути на основе электронного паспорта.

На защиту выносятся:

- конечно-элементная модель расчета устойчивости бесстыкового пути с возможностью отслеживания всего процесса деформирования рельсо-шпальной решетки под действием продольных сжимающих сил;

- методика оценки выброса бесстыкового пути на основе анализа скорости роста поперечных деформаций;

- система оценки устойчивости плетей бесстыкового пути на основе электронного паспорта.

Реализация и апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены: на научно-практической конференции "ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу", проходившей в СГУПСе 27-29 ноября 2002 г., на Третьей Международной научной конференции творческой молодежи, проходившей 15-17 апреля 2003 г. в ДВГУПСе, на расширенной дорожной школе ВСЖД, на заседаниях кафедры "Путь и путевое хозяйство" ИрГУПСа и СГУП-Са.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 статьях и 1 информационном листке.

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, трех приложений, и списка литературы 125 наименований.

Заключение

1. Разработана конечно-элементная модель устойчивости бесстыкового пути, с нелинейными характеристиками сил сопротивления деформациям рельсо-шпальной решетки, которая позволяет производить расчет параметров процесса деформирования рельсо-шпальной решетки под действием температурных сил, в том числе в кривых малого радиуса при наличии больших значений поперечных перемещений, т.к. в таких кривых не наблюдается потеря устойчивости 1-го рода (смена положения равновесия), а возникает неустойчивость 2-го рода. В результате моделирования получены значения поперечных деформаций рельсо-шпальной решетки в процессе ее нагрева, и предложена методика определения допускаемых температур нагрева плетей, основанная на анализе скорости роста поперечных деформаций, а так же определено влияния начальных неровностей пути в плане на устойчивость плетей.

2. Выполненные расчеты показали, что экономический эффект от применения бесстыкового пути возрастает с уменьшением радиуса кривой. Данный факт обусловлен наличием у звеньевой конструкции дополнительных энергетических затрат на преодоление "углов" в стыках при движении по ним подвижного состава, а величина дополнительных затрат зависит от эксплуатационных условий участка (грузонапряженность, скорость движения поездов) и фактических значений "углов". Проведенный расчет величины дополнительных затрат от наличия "углов" в стыках для эксплуатационных условий ВСЖД показал, что ее значение колеблется от 3000 до 103000 руб/км в год в зависимости от радиуса кривой.

3. Моделирование изгиба рельсо-шпальной решетки при ее укладке показало, что происходит локальное изменение паспортного радиуса звеньев в пред и застыковой зонах, которое вызывает в этих зонах образование "угла". При анализе результатов моделирования выявилась зависимость значений "углов" от радиуса кривой и типа накладок. Фактические измерения углов подтвердили качественную картину результатов моделирования, причем значения "углов" увеличиваются с наработкой тоннажа и достигают величины более 3° при радиусе кривой 300 м.

4. Обзор существующих методов повышения поперечной устойчивости бесстыкового пути и их техническая оценка, на основе моделирования, показала, что наиболее эффективными являются мероприятия, связанные с повышением сил сопротивления поперечным перемещениям шпал в балласте. Для определения их фактических значений были проведены экспериментальные исследования, которые показали, что требуемое значение сил сопротивления обеспечивает метод "омоноличивания" плеча балластной призмы. Была разработана технология и эскизные чертежи оборудования для "омоноличивания", а так же их экспериментальная проверка.

5. Для оценки фактического напряженно-деформированного состояния плетей разработано программное обеспечение для технического отдела дистанции пути, функцией которого является формирование начальных форм учета информации по плетям, создание и ведение журналов учета подвижек плети, а так же журнала температурной работы плети. При внесении данных в базу производится их анализ, в результате которого вычисляются запас устойчивости, а так же определяется возможность проведения различных видов путевых работ. 6. Для усиления поперечной устойчивости типовой конструкции бесстыкового пути в кривых малого радиуса необходимы дополнительные технические мероприятия, при этом происходит удорожание конструкции, максимальная величина которого, определенная из условия минимальной экономической эффективности с учетом срока окупаемости составляет от 2038900 руб/км до 1242530 руб/км в зависимости от радиуса кривой. Дополнительные затраты на "омоно-личивание" плеча балластной призмы с учетом стоимости латекса и дополнительных трудовых затрат на его нанесение составляют от 400000 до 450000 руб/км, что не превосходит максимально допустимых расчетных значений. Средний расчетный годовой экономический эффект за счет уменьшения приведенных эксплуатационных затрат при применении бесстыкового пути в кривых, радиуса менее 600 м составляет 100000 - 120000 руб/км в год.

1. Актуальные проблемы путевого хозяйства // Темат. подборка: П(23)-150- ТП-80-2000. Сост. JI. С. Березюк, Л.А.Гребнева. Иркутск, 2000. -94 с.

2. Александров A.B. Исследование перемещений и усилий при изгибе пластины методом конечных разностей: Учеб. пособие. М., 1978. -44 с.ш

3. Александров A.B. Решение плоской задачи теории упругости методом конечных разностей: Учеб. пособие. М.: 1979. - 22 с.

4. Альбрехт В.Г. Угон железнодорожного пути и борьба с ним.- М.: Транспорт, 1996. 160 с.

5. Баутин H.H. Поведение динамических систем вблизи границ области устойчивости.- М.: Наука, 1984. 176 с.

6. Безруков М.В. Соединение рельсовых плетей бесстыкового пути сострелочными переводами: Дисс. к-та техн. наук -М., 1999. — 131 с.

7. Безруков М.В. Конечно-элементные модели соединения рельсовых плетей бесстыкового пути со стрелочными переводами: Тез. докл. Конф. Механика твердых тел и жидкостей. НГТУ. Н.Новгород, изд. НГМА, 1999.- 9 с.

8. Безруков М.В. Оптимизация параметров упругой клеммы промежуточного рельсового скрепления: Тез. докл. конф. Механика твердых тел и жидкостей. НГТУ. Н.Новгород, изд. НГМА, 1999. 5 с.

9. Безруков М.В., Васильев А.Б., Исаенко Э.П., Каимбаев А.К., Шарадзе О.Х. Оценка устойчивости бесстыкового пути // Конечно-элементные модели расчета железнодорожного пути на прочность и устойчивость. Под ред. Э.П.Исаенко, 1997. 9 с.

10. Безруков М.В., Васильев С.П., Исаенко Э.П., Каимбаев А.К., Шарадзе

11. О.Х. Конечно-элементная модель исследования устойчивости бесстыкового пути при угоне и температурном воздействии: Тез. докл. конф. Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства в Сибири. СГАПС, Новосибирск, 1997. 1 с.

12. Безруков М.В., Задорожный Л.И., Исаенко Э.П. Обеспечение плавности движения скоростных пассажирских поездов в прямом направлении по стрелочным переводам // Информационный листок ДЦИР №1043, Горьковская железная дорога, 1999. 4 с.

13. Безруков М.В., Исаенко Э.П., Каимбаев А.К. Bückling-устойчивость бесстыкового пути. Деп. Гипротранстэи, 1997. 42 с.

14. Безруков М.В., Задорожный Л.И., Исаенко Э.П., Русин А.Н. Совершенствование конструкции и технологии текущего содержания бесстыкового пути: Пособие. Н.Новгород, изд. НГМА, 1999. — 112 с.

15. Безухов Н.И. Устойчивость и динамика сооружений в примерах и задачах: Учеб. пособие для вузов/. М.: Высш. шк., 1987. - 264 с.

16. Беляев Н.М. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов/. М.: Гос. изд-во физ.-мат.лит., 1962. - 850 с.

17. Бесстыковой путь /Альбрехт В. Г., Виногоров Н. П., Зверев Н. Б. и др., под редакцией В.Г. Альбрехта, А.Я. Когана. — М.: Транспорт, 2000. 408с.

18. Бесстыковой путь и длинные рельсы в условиях Сибири / Ред. М.С. Бо-ченков.- Новосибирск, 1979. (НИИЖТ. Межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 198/11).

19. Бесстыковой путь и длинные рельсы. / Ред.В.Г.Альбрехт. М.: Транспорт, 1977.-260 с.20