автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Требования к неровностям пути в вертикальной продольной плоскости на участках скоростного движения

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА (ВНИИЖТ)

11а правах рукописи

СЕРГЕЕВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

УДК 625.1.03

ТРЕБОВАНИЯ К НЕРОВНОСТЯМ НУГИ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПРОДОЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ НА УЧАСТКАХ СКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ

Специальность 05.22.06 Железнодорожный путь

Диссертация на соискание ученой степени кандидата гехни чееких Iтук

1к

Научный руководиIель: 11рофессор. док I ор технических наук В.О. 1 кмппер

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ.

Ср.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО 1 ГУ ГИ 1.1. Методы контроля и оценки состояния нуги на отечественных железных дорогах 1.1.1. Эволюция требований к содержанию железнодорожного

пути...................................................................... 10

1.1.2. Методы контроля состояния нут1т.';г^.г-•¿•Л';................... 13

1.1.3. Оценка состояния пути............................................... 21

1.2. Методы контроля и оценки состояния пути на зарубежных дорогах.................................................................... 27

1.3. Выводы по главе......................................................... 36

2. АНАЛИЗ ФАКТИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПУ ТИ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПРОДОЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ

2.1. Система получения информации..................................... 38

2.2. Определение параметров длинных неровностей на опытных

участках нуги............................................................ 40

2.3. Выводы по главе.......................................................... 48

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙС ТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И НУГИ С НЕРОВНОСТЯМИ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ 1 ПРОДОЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ

3.1. Постановка задачи....................................................... 50

3.2. Математическая модель взаимодействия скоростного пассажирского экипажа и ну ги с неровностями продольного профиля........................................................... ... 5.1

3.3. Результаты математического моделирования

3.3.1. Результаты расчетов взаимодействия скоростного подвижною состава и пущ при наличии изолированных и периодических неровностей....................................................................................56

3.3.2. Результаты расчетов взаимодействия скоростного подвижного состава и нуги при наличии на нем сочетания коротких и длинных неровностей........................................ 81

3.4. Сопоставление результатов математического моделирования с экспериментальными данными............................... 92

3.5. Выводы но главе......................................................... 96

4. РАЗРАБОТКА НОРМ С ОДЕРЖАН И Я 11УТ11 В 11РОДОЛЫ ЮМ ПРОФИЛЕ ПРИ СКОРОСТЯХ ДВИЖЕНИЯ ДО 200 КМ/Ч

4.1. Основные положения нормирования длинных неровностей

п родо.) I ьн ого профиля.................................................... 98

4.2. Упрощенная модель для оценки допустимых значений амплитуд неровностей...................................................... ЮЗ

4.3. Определение допустимых величин неровностей нуги в вертикальной продольной плоское!и па участках скоростного движения по данным математического моделирования......... 110

4.4. Выводы по главе......................................................... 1.13

5. ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ И ДЕФОРМАЦИЙ ПОДРЕЛЬСО-ВОГО ОСНОВАНИЯ ОТ СОСТОЯНИЯ НУГИ в ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПРОДОЛЬНОЙ плоскости

5.1. Исследование взаимосвязи геометрических параметров пути и упругих осадок для комплексной оценки состояния подрель-сового основания.............................................................. 1 )4

5.2. Влияние состояния пути г? вертикальной плоскости на мак-

симальные величины ускорений в подвижном сосите................122

5.3. Выводы по главе....................................................................................................................131

6. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВ1ЮСТИ УСТРА1IEI1ИЯ ДЛИННЫХ

НЕРОВНОСТЕЙ 13 11РОДОЛЫ ЮМ 11РОФИЛЕ 133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 139

Актуальность работы. Перестройка экономики и условиях спада производства резко обострила конкуренцию между различными видами транспорта. Одним из основных факторов в конкурентной борьбе являю юя сроки и скорость доставки пассажиров и грузов, что обуславливает необходимое) ь использовать в постоянном обращении скоростные пассажирские поезда и специализированные ускоренные грузовые составы.

Большинство дорог России ориентировано па перевозки массовых грузов с максимальной скоростью движения до 80 км/ч. Отечественные грузовые локомотивы рассчитаны на вождение тяжеловесных поездов со скоростью 50-60 км/ч у электровозов и 25-30 км/ч у тепловозов. Реальные максимальные скорости движения пассажирских поездов составляют 100-120 км ч. Под эти режимы движения разработаны и апробированы нормы уст ройст ва и содержания пути. Нормативы для более высоких скоростей до сих пор определялись, в основном, экстраполяцией существующих зависимостей и па базе зарубежного опыта.

Введение в регулярную эксплуатацию пассажирских экспрессов с максимальной скоростью движения до 200 км/ч и грузовых специализированных поездов для доставки скоропортящихся грузов и контейнеров со скоростями 140-160 км/ч требует подготовки к работе в новых условиях всем инфраструктуры дорог. В области эксплуатации железнодорожного пути это вызывает необходимое I ь разработки дополнительных требований и показателей для контроля и оценки ею состояния.

Нормы устройства и содержания пути, как и средства ею диагностики, изначально создавались исключительно для обеспечения безопасности

I

движения поездов. С увеличением скоростей движения существенно раеши-

рясгея диапазон длин неровностей нуги, оказывающих влияние на процессы его взаимодействия с подвижным составом. В настоящее время стоит задача разработки рациональных, норм содержания пут. обеспечивающих, при безусловном соблюдении безопасности и бесперебойности движения поездов, а также комфортабельности езды, минимизацию расходов на 'эксплуатацию пути [51, 73. 79]. Соответственно. на сети железных дорог должны 6i.hi, значительно расширены функциональные .возможности средств диагностики пути как основного источника информации по принятию управленческих решений.

Интенсивность расстройства нуги при обычных условиях -эксплуатации, в первую очередь, определяется динамическими процессами взаимодействия пути и необрессоренных масс подвижного состава [9. 80]. Поэтому, до настоящего времени, при содержании пут основное внимание уделялось устранению толчков в вертикальной плоскости, вызываемых короткими неровностями в подишальном основании, а также неровностей на поверхности катания головок рельсов, то есть ликвидации возмущений с частотой выше 3 Гц. Это обуславливалось еще и тем, что неровности пути в вертикальной плоскости стандартные измерительные устройства вагона-путемизмерителя ЦНИИ-2 регистрируют в виде "просадок" (разности по высоте в продольном профиле двух колес (слежки, идущих по одной рельсовой нити, относительно кузова) и, следовательно, практически не фиксирую! неровности длиной более 10 м [2, 73].

С 1996 г. начато изготовление вагонов-пугеизмерителей нового поколения ЦНИИ-4 с рабочей скорос тью до 160 км/ч [27]. Эти путеизмерители. оборудованы быстродействующей информационно-вычислительной аппаратурой и высокоточной инерциалыюй измерительной системой, что позволяет регистрировать и оценивать параметры длинных неровностей пути в профиле и в плане [26, 70].

Острая конкуренция с автомобильным и авиационным транспортом в области пассажирских и грузовых перевозок потребовала организации скоростного движения |-12|. что обусловило необходимость разработки нормашв-ных документов для контроля и оценки неровнооей пути, оказывающих влияние на ускорения в кузове вагонов, в первую очередь, с целью повышения комфортабельности перевозки пассажиров и сохранности грузов при высоких скоростях движения. Следует отмстить также, что с увеличением ско рости движения возрастает влияние длинных неровностей на колебания об-рессоренных масс, и. следовательно, на формирование сил взаимодействия подвижного состава и пути.

В данной работе поставлена и решена задача оценки влияния па показатели взаимодействия скоростного подвижног о состава и пути длинных неровностей в продольном профиле, регистрируемых вагоиом-путеизмерителем ЦНИИ-4.

Цель исследования. Основной целью диссертации является исследование вертикальных колебаний подвижного состава для разработки предложений по дополнениям к нормативной документации, регламент тирующей геометрические параметры неровностей Jфодолмюго 5фофиля скоростных линий. В соответствии с этим также рассмотрена связь неровностей пути с характеристиками подредьсового основания.

Методы исследования. В основу теоретической части диссертационной работы положено математическое моделирование взаимодейстбия скоростного подвижного состава и пути с длинными вертикальными неровност ями при учете одновременного воздействия на экипаж возмущений, обусловленных короткими неровностями. Результаты расчетов использованы для исследования влияния длинных неровностей на динамические процессы взаимодействия пути и подвижного состава.

Экспериментальная часть работы заключалась в исследовании состояния продольного профиля пу ти на участках различных направлений сети

железных дорог с целью определения фактических параметров длинных неровностей, а также в анализе уровня ускорений в кузове пассажирскою вагона в ходе •экспериментальных поездок па линии Москва С.1 1етсрбур|.

Научная новизна. Получены численные оценки влияния длинных и полигармонических неровностей в продольном профиле па динамические показатели взаимодействия скоростною подвижного состава и пути.

Установлена корреляционная связь общею состояния ими в вертикальной плоскоеIи. характеризуемого средними квадратическими отклонениями ускорений подвижною состава, с максимальной величиной ускорений на данном участке.

Установлена связь показателей деформаций подрельеовот о основания с неровностями в продольном профиле.

Практическая ценность и нчшрстуун>иг;^L Сформули-

рованы предложения по нормированию длинных неровностей в продольном профиле, измеряемых вагопом-путеизмерителем ЦПИИ-4. ') 1 и данные использованы при разработке предложений по научно-исследовательской теме: "Математическое моделирование и эксплуатационная оценка показателей взаимодействия скоростного подвижною состава и пути. Разработка нормативов по оценке состояния пути на участках скоростною движения".

Полученные в работе результаты положены в основу разработки первой редакции нормативов опенки состояния нуги на скоростных линиях. Указанные нормативы введены для апробации на участках скоростною движения Октябрьской ж.-д. (Письмо № ЦНТ-55/11 Руководителя департамента пути и сооружений МПС РФ С.Л. Рабчука от 28 апреля 1999 г.)

Результаты оценки состояния подрельсового основания применены при разработке проекта усиленного капитальною ремонта на линии Москва-Красное.

Апробация работы и. публикации. Основные положения диееер i анионной работы докладывались па научно-технических совещаниях отделения Комплексных испытаний ВППИЖТа; на паучпо-чехлической конференции в УрГУПСе (г. Екатеринбург. 1998 г), па международной научпо-нраклической конференции в ДИИТе (г. Днепропетровск, 1998 г).

По теме диссертации опубликовано 4 статьи.

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО НУТИ

1.1 Методы ко!|!роля и оценки состояния нуги на отечественных железных дорогах

1.1.1 Эволюция требований к содержанию пути

С первых лег эксплуатации железных дорог возникла потребность в оценке и контроле состояния рельсового пути, в том числе, в контроле его пространственного (геометрического) положения, для обеспечения безопасности и бесперебойности движения поездов. В дальнейшем, при появлении и развитии средс тв иистру мет ального кош роля возникла необходимост ь в нормировании очертаний рельсовых нитей и их взаимного расположения.

Эволюция эксплуатационных условий работы желе",подорожного транспорта привела не только к увеличению числа нормируемых параметров рельсовой колеи, определяющих положение рельсовых нитей в верпткальной продольной плоскости, по уровню, в плане и т.д.. по и к качественному расширению диапазона величин рассматриваемых параметров отступлений.

Уже в конце 19 века делалась попытка рассмотреть в общем комплексе нормативы по рельсовой колее и ходовым частям подвижною сослав а. Однако, применяемые норма швы обосновывались, в основном, опыт ом содержания пути и соответствовали необходимым требованиям обеспечения безопасное! и и плавности движения поездов, поскольку несовершенства рессорного подвешивания позволяли достаточно достоверно оценивать состояние пути по ощутимым толчкам в кузове тип она. !

Нормативы по рельсовой колее менялись неоднократно и сравнительно часто.

Применяемые в настоящее время на отечественных железных дорогах нормативы явились результатом фундаментальных 1 соре ж чес к их и же пери-ментальных рабог многих научных и произволеIвенных коллективов, обобщения опыта эксплуатации пуги в различных условиях. 'Тит достижения связаны с именами В.Г. Альбрехта. С.В. Амелина. Н И. Лнглейко. Г.К. Андреева, М.Ф. Вериго, В.П. Данилова, О.П. Ершкова, Г.Г. Желнина. К.С. Исаева, И.И Кантора, А.51. Когана, ЗЛ. Крейниса, В.О. I (св итера, С.11. Псршипа. II.Н. Путри, М.П. Смирнова, В.II. Титова. М.А. Чернышева. М.А, Фришмаиа, Г.М. Шахунягща, В.51. Шульги, В.Ф. Яковлева. Г.Г. Яковлевой.

Комплекс значительных но объему и важности исследований нормативов в связи с увеличением скоростей движения был проведен в 50-х 60-х годах специалистами ЦНИИ МПС, ВУЗов и железных дорог. В основу них исследований, в первую очередь, были положены технические требования к рельсовой колее, обеспечивающие безопасное!ь и бесперебойность движения поездов.

Значительным достижением в совершепетвовапии нормативов по содержанию рельсовой колеи явилась разработка "Технических указаний но расшифровке записей путеизмерительных вагонов, оценке отступлений от норм содержания рельсовой колеи железнодорожного пути, мерам по обеспечению безопасности движения поездов при их обнаружении" (ТУ-81) [89|. Главным достоинством этого нормативного документа явилось устранение неопределенности в зоне возможного появления действительно опасных для движения поездов грубых отступлений |23|. Впервые в отечественной практике были определены границы между допустимыми и опасными отступлениями; установлены скорости движения поездов при наличии в пути отступлений 1-111 степеней и скорости пропуска поездов при наличии в пути отступлений IV и V степеней на период до их ус Iранения. >

Современное состояние экономики хараклеризуется существенным усложнением работы железнодорожного пули. 11еирерывпое нош,мнение силового воздействия подвижного состава па путь, вследствие увеличения скоростей движения и осевых нагрузок, в совокупное!и с обтекIивпой 1101 реб ностыо в уменьшении трудовых и материальных затрат на устройство, содержание и ремонт' железнодорожного пути и подвижного состава настоятельно .требую 1 проведения дополни юльпых исследований динамических процессов взаимодействия.

Изменение условий рабоил железнодорожного пути приводит к повышению технических требований к состоянию пути, очертанию рельсовых нитей, к ужесточению допускаемых отклонений от поминальных пара меч ров. что, в свою очередь, в условиях ограниченных материальных и трудовых ресурсов приводит также к значительному ужесточению экономических требований к путевому хозяйству.

К таким требованиям, в первую очередь, относится уменьшение эксплуатационных затрат. Безусловное обеспечение безопасности и бесперебойности движения поездов с установленными, скоростями в современных условиях — необходимое, по недостаточное требование к состоянию пути, к очертанию рельсовых ни тей, к нормативам по рельсовой колее.

Рациональные нормативы содержания рельсовой колеи, при безусловном соблюдении безопасности, и бесперебойности движения нос удов, должны обеспечить снижение затрат на обслуживание пути и подвижно!о состава [51], а также комфорт пассажиров и сохранность г рузов при высоких скоростях движения. Однако, их соблюдение невозможно без соответствующих средств контроля состояния желе,подорожного пути.

1.1.2 Методы контроля состояния железнодорожного идти

За годы существования железных дорог нулеизмеригедьиая техника в своем развитии прошла значительный путь. Совершенствовалась не (олько измерительная техника, но и методы измерения, в частности были послание ны и решены такие проблемные вопросы как peí ист рация неровностей в иперциальной системе координат, бесконтактные методы измерения при скоростях до 200 км ч и другие.

Вместе с ростом скоростей движения, нагрузок на оси и грузонапряженности линий и соответствующим этому повышением фебовапий к точности положения пути общая направленность развития путеизмершельной техники характеризовалась: повышением точности измерений;