Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ путейского опыта обеспечения эксплуатации поездов с повышенными осевыми нагрузками 8
1.1. Анализ зарубежного опыта 8
1.1.1. Опыт европейских железных дорог 8
1.1.2. Опыт железных дорог Южной Африки 13
1.1.3. Опыт железных дорог Австралии 17
1.1.4. Опыт железных дорог Китая 21
1.1.5. Опыт железных дорог Бразилии 23
1.1.6. Опыт североамериканских железных дорог 24
1.2. Анализ отечественного опыта 30
1.2.1. Хронология этапов изменения осевых нагрузок на отечественных железных дорогах 30
1.2.2. Опыт отечественных железных дорог 33
1.2.3. Опыт работы Московской дороги по подготовке путевого хозяйства к пропуску поездов повышенной массы и длины. 38
1.3. Сравнение зарубежного и отечественного опыта обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками 42
2. Влияние осевой нагрузки на напряженно-деформированное состояние пути и отказы рельсов 48
2.1. Расчетное определение влияния осевой нагрузки на показатели напряженно-деформированного состояния элементов верхнего строения пути з
2.1.1. Расчетная схема 48
2.1.2. Исходные данные, порядок расчета 53
2.1.3. Влияние осевой нагрузки 57
2.1.4. Влияние типа рельсов 60
2.1.5. Влияние модуля упругости подрельсового основания 66
2.1.6. Влияние межшпального расстояния 78
2.1.7. Влияние базы тележки экипажа 80
2.1.8. Влияние толщины балластного слоя 81
2.1.9. Влияние скорости движения
2.2. Влияние осевых нагрузок вагонов на отказы рельсов в пути. 90
2.3. Выводы 96
3. Экспериментальное исследование эффективности мероприятий по усилению рельсовых стыков при повышении осевых нагрузок 101
3.1. Шарнирные накладки 101
3.1.1. Зарубежный опыт применения шарнирных накладок 106
3.1.2. Отечественный опыт применения шарнирных накладок... 108
3.1.3. Полигонные испытания шарнирных накладок при осевой нагрузке 27 тс на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ в 1999-2001 гг ПО
3.2. Укладка рельсовых стыков вразбежку 117
3.2.1. Полигонные испытания участка пути по стыкам вразбежку на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ 119
3.3. Изменение жесткости конструкции верхнего строения пути 132
3.3.1. Полигонные испытания виброзащитных шпал
в2000-2001гг 136
4. Технические и технологические решения, направленные на ресурсосбережение в путевом хозяйстве 145
5. Заключение 153
Литература
- Опыт железных дорог Китая
- Сравнение зарубежного и отечественного опыта обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками
- Влияние модуля упругости подрельсового основания
- Полигонные испытания участка пути по стыкам вразбежку на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ
Опыт железных дорог Китая
До недавнего времени европейские железные дороги не имели насущной необходимости в повышении провозной способности за счет увеличения веса поезда и осевой нагрузки. Однако в современных условиях конкуренции различных видов транспорта экономические требования заставили европейские страны обратить внимание на тяжеловесное движение и повышение осевых нагрузок. В этом отношении характерен опыт железных дорог Германии и Швеции.
Первая в Германии железная дорога Нюрнберг - Фюрт, построенная в 1835 г. имела рельсы массой 12 кг/м длиной 4,378 м на каменных опорах через 0,73 м. Длительное время применявшийся впоследствии тип рельсов S49 по своим прочностным характеристикам не удовлетворял требованиям осевой нагрузки 22,5 тс (число циклов нагружения этих рельсов не превышало 2 50 тыс.). Замена рельсов S49 на S54 не привела к заметному снижению расходов на текущее содержание пути. В настоящее время на магистральных дорогах Германии основной конструкцией верхнего строения пути (ВСП) для восприятия осевой нагрузки 22,5 тс (на карьерных путях до 35 тс) являются рельсы типа UIC60, железобетонные шпалы B70W и щебеночный балласт толщиной не менее 30 см. Железобетонные шпалы составляют 37 % всех эксплуатируемых шпал, деревянные (бук, дуб, тропические породы дерева) - 43%, металлические - 20%. Применяется рельсовая сталь группы 90 А и группы 110 А с пределом прочности соответственно 880Н/мм2и 1080 Н/мм2.
В ходе исследований установлено, что замена рельсов типа S54 на UIC60 снижает напряжения в балласте на 9 %, а уменьшение расстояния между осями шпал с 63 см до 60 см - на 4 %. В свою очередь, снижение напряжений в балласте влияет на стабильность рельсовой колеи в четвертой степени [124, 125]. Так, снижение напряжений в балласте на 10 % приводит к улучшению положения колеи в профиле на 46 % (1,1 = 1,46), что способствует увеличению межремонтного срока также на 46 %. Повышение осевых нагрузок на 5 % приводит к ухудшению состояния пути в 1,22 раза.
В Рейнском угольном бассейне на коротких маршрутах эксплуатируются 4х-осные вагоны с осевой нагрузкой 36 тс на пути из рельсов типа UIC60, с эпюрой деревянных шпал 1666 шт./км и упругими скреплениями Skl-З, на щебеночном балласте. Хотя рельсы UIC60 удовлетворяют по своей прочности условиям воздействия осевых нагрузок 25 тс, тем не менее, в Германии разработан на перспективу профиль рельса с погонной массой 71 кг/м[131].
Проводимые в Германии широкие исследования по программе «колесо-рельс» включают, в том числе, разработку новых перспективных конструкций ВСП (безбалластный путь, путь с Y-образными шпалами на асфальтовом основании и т.д.), позволяющих повышать осевую нагрузку. Исследованиями установлена зависимость величины осадки пути с традиционной конструкцией от числа циклов нагружений N: при N до 104 рост осадок пропорционален JN . Доказано, что хорошо уплотненный щебень при здоровом земляном полотне даже при больших напряжениях, соответствующих возросшим осевым нагрузкам, способен воспринимать высокие нагрузки без остаточной деформации. Техническим университетом в Мюнхене исследовано влияние осевой нагрузки на остаточные деформации пути на четырех опытных участках при одинаковых наработках тоннажа [18]. Сравнение результатов показало, что наибольшие средние величины осадок имели место на участке со смешанным движением при максимальной осевой нагрузке 22,5 тс и скорости до 160 км/ч, хотя ожидались наибольшие осадки на участке с максимальными осевыми нагрузками 35 тс.
В Швеции также считают повышение осевых нагрузок подвижного состава одним из путей решения проблемы увеличения провозной способности железных дорог. В условиях возрастающей конкуренции в Швеции по заказу горнодобывающей компании LKAB проведены исследования [117] по снижению транспортных расходов при перевозке железной руды в морские порты Нарвик (Норвегия) и Лулео (Швеция) с введением в обращение большегрузных вагонов и тяжеловесных поездов. Параллельно консультативная фирма Zetaech Associated, Inc. (США), а также объединенная группа специалистов транспортных компаний Banverket (Швеция) и Jernbaneverket (Норвегия) провели исследования влияния высоких осе // вых нагрузок на интенсивность процесса расстройства пути и возрастание стоимости его текущего содержания и общих эксплуатационных затрат. Анализ введения в эксплуатацию на грузонапряженных маршрутах компании LKAB подвижного состава с высокими осевыми нагрузками предполагал определить две основные цели: - степень увеличения интенсивности процесса расстройства пути и сооружений; - величину общих эксплуатационных затрат с введением в обращение большегрузных вагонов и тяжеловесных поездов.
Исследования включали, в частности, анализ влияния на уровень эксплуатационных затрат увеличения принятых в настоящее время осевых нагрузок 25 тс до 30 тс и скорости движения с 50 до 60 км/ч. Опыт тяжеловесного движения на североамериканских железных дорогах показал, что удельные затраты на текущее содержание пути, отнесенные к осевой нагрузке, подчиняются нелинейной зависимости при ее увеличении. Эта экономическая зависимость была принята и при оценке степени увеличения интенсивности процесса расстройства пути и сооружений применительно к скандинавским линиям. Следует отметить, что новый вагон с осевой нагрузкой 30 тс имеет грузоподъемность на 25 % выше (100 т) по сравнению со старым вагоном с осевой нагрузкой 25 тс (80 т) при одинаковой собственной массе (20 т).
Сравнение зарубежного и отечественного опыта обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками
В конце 70-х и начале 80-х годов XX столетия средняя грузонапряженность отечественных железных дорог резко возросла и составила 40 млн. т брутто/км в 1986 г. На таких направлениях как Москва-Самара, Челябинск-Новосибирск грузонапряженность превысила 100 млн. т брутто/км в год.
Для овладения таким объемом перевозок основным мероприятием по увеличению провозной способности явилось повышение среднего веса поездов без увеличения их длины, ограниченной длиной станционных путей, т.е. за счет повышения грузоподъемности вагонов. Грузоподъемность вагонов определяется допускаемой величиной осевой и погонной нагрузки. Увеличение погонной нагрузки возможно за счет выпуска нового подвижного состава с увеличением числа осей в тележках, кроме того существуют ограничения погонной нагрузки по несущей способности мостов, в то время как увеличение осевой нагрузки представляется более доступным мероприятием.
Оптимизация величины осевой нагрузки основывается на анализе показателей взаимодействия пути и подвижного состава и экономических показателей, характеризующих прибыль от повышения провозной способности и расходы от увеличения интенсивности накопления остаточных деформаций и неисправностей как в пути, так и на подвижном составе. Вопросами взаимодействия, в том числе и осевыми нагрузками занимались многие ученые как путейцы, так и специалисты по подвижному составу: Васютинский А.Л., Петров Н.П., Годыцкий-Цвирко A.M., Крачковский В.П., Цеглинский В.В., Шахунянц Г.М., Фришман М.А., Альбрехт В.Г., Вериго М.Ф., Яковлев В.Ф., Коган А.Я., Карпущенко Н.И., Крейнис З.Л., Желнин Г.Г., Певзнер В.О., Лысюк B.C., Вершинский СВ., Фуфрянский Н.А., Данилов В.Н., Грачева Л.О., Анисимов П.С., Королев К.П., Ушкалов В.Ф., Черкашин Ю.М., Шестаков В.Н. и многие другие. Выполнены Фундаментальные исследования по повышению массы и длины поездов. Это работы Лазаряна В.А., Вертинского СВ., Лисицына А.Л., Мугинштейна Л.А., Терещенко В.П., Львова А.А., Долматова А.А., Коваля В.А.идр. [46, 58, 59, 63,95].
Для установления оптимального уровня осевых нагрузок грузовых вагонов ВНИИЖТ провел в 1972-82 гг. крупнейшие в истории железнодорожной науки исследования работы типовых конструкций пути и грузовых вагонов на Экспериментальном кольце (ЭК) института при Рос = 21; 23 и 25 тс (тема 141-П), а также эксплуатационные исследования работы пути и вагонов на сети железных дорог при повышенных осевых нагрузках (тема 058-П) [67, 72].
Первый цикл испытаний серийных четырехосных вагонов с нагрузкой 23 тс/ось проведен в 1973-75 гг. Пропущенный тоннаж составил 579 млн. т брутто/км. Испытания подтвердили возможность безопасной эксплуатации этих типовых вагонов на стандартной конструкции пути. При этом на ЭК реализовывалась высокая частота движения (до 130 поездов за 12 часов) с грузонапряженностью до 35 млн. т брутто/км в месяц. Движение опытного поезда из 110 вагонов весом около 10 тыс. т осуществлялось со скоростью 70 км/ч. Второй цикл испытаний с нагрузкой 25 тс/ось выполнен в 1975-78 гг.; пропущенный тоннаж составил 590 млн. т брутто/км. Третий цикл испытаний при осевой нагрузке 27 тс осуществлен в 1985-86г.
За период испытаний обнаружены и заменены 621 дефектных и остродефектных рельсов. После повышения осевых нагрузок отмечается возрастание одиночных отказов по смятию и износу головки рельсов с 20,5 % в 1985 г. до 31,7 % в 1990 г. Необходимо иметь ввиду, что условия испытаний были экстремальными: высокая частота движения, постоянная скорость, большая грузонапряженность и т.д.
При статической осевой нагрузке 25 тс общее количество и суммарная длина внутренних продольных усталостных трещин (ВПТ) в отдельных случаях были больше, чем при нагрузке 23 тс/ось. Увеличивается глубина залегания ВПТ и расслоений в головке рельса по средним величинам соответственно на 19 % и 21 %, возрастает их количество и суммарная длина, особенно при изношенных колесах.
В результате испытаний на ЭК и линии установлено, что с увеличением глубины и длины выкрашивания металла на рабочей выкружке головки рельса наружной нити кривых увеличивается вероятность возможного всползания гребня колеса на рельс в области откола или выкрашивания металла над трещиной, поэтому возникла необходимость перевода рельсов из разряда дефектных в разряд остродефектных, особенно по наружным нитям кривых, что напрямую связано с обеспечением безопасности движения.
По стрелочным переводам было установлено, что срок службы (по наработке тоннажа) крестовин типа Р65 марки 1/11 сокращается в 2 раза при увеличении статической осевой нагрузки с 21 до 25 тс. Основной причиной отказов крестовин при повышенных осевых нагрузках являются трещины в их хвостовой части (около 70 %).
Эксплуатационная стойкость рельсовых элементов стрелочных переводов с ростом осевых нагрузок от 21 до 25 тс уменьшается, особенно увеличиваются отказы остряков по дефектам контактно-усталостного происхождения. При повышении статической осевой нагрузки с 23 до 25 тс интенсивность накопления остаточных осадок стрелочных переводов типа Р65 увеличивается в 1,4 раза.
Влияние модуля упругости подрельсового основания
По критерию непревышения допускаемых напряжений на основной" площадке земляного полотна осевая нагрузка до 30 тс возможна при конструкции пути с рельсами типа Р65, эпюрой шпал 1840 шт./км и толщиной щебеночного слоя не менее 50 см. Для возможности реализации по этому критерию осевой нагрузки 35 тс необходимо либо увеличение толщины балластного слоя, либо снижение скорости движения, либо выполнение других мероприятий.
В простейшем случае рельс рассматривается как балка, лежащая на сплошном упругом основании бесконечно большой длины неизменного поперечного сечения. При этом характеристикой подрельсового основания служит его модуль упругости U. Известно, что жесткость верхнего строения пути является одним из основных факторов, определяющих величину показателей напряженно - деформированного состояния пути и определяется по формуле: ж = ЬР\Ьу (2.15), где Ау - приращение упругой просадки при увеличении нагрузки АР. Просадка рельса у под нагрузкой Р определяется по формуле (2.4): к у = —Р У 2 U Следовательно, чем выше жесткость пути, тем меньше упругая просадка, и соответственно, ниже значения напряжений в рельсах от / их изгиба в вертикальной плоскости, а значит, прочнее путь. Однако при этом снижается длина линий изгиба рельса под действием силы Р, что приводит к уменьшению протяженности балласта, воспринимающего нагрузку Р, а значит, к возрастанию удельного давления в балласте. Другая причина - изменение жесткости пути, которая возрастает с увеличением прочности пути. В условиях повышенной жесткости пути, и особенно в местах ее изменения, увеличиваются дополнительные силы и связанные с ними вибрации (как частота, так и амплитуда колебаний). Колебания, возникающие в элементах пути под воздействием движущегося поезда, приводят к уменьшению прочностных показателей грунтов и материала балласта, а следовательно к повышению интенсивности накопления остаточных деформаций и расстройств верхнего строения пути [8, 48, 86]. С увеличением прочности конструкции происходит возрастание жесткости упругих связей между всеми элементами пути: рельсом и шпалой, шпалой и балластом. Чем жестче связь между ними, тем большие ускорения передаются от верхнего элемента к нижнему (особенно в зоне высоких частот колебаний конструкции), тем менее интенсивно затухают колебания на глубине.
Планомерное повышение прочности пути за счет укладки более тяжелых типов рельсов, увеличения густоты шпал, увеличения толщины балластного слоя, применения железобетонных оснований и т.п. - это закономерный процесс, вызываемый необходимостью повышения надежности и качества дорог при увеличении интенсивности их использования. Только за счет замены рельсов Р43 на Р65 и изменения эпюры деревянных шпал с 1600 до 1840 шт./км жесткость пути возросла почти на 40 % [73]. Для определения влияния жесткости пути в вертикальной плоскости произведены расчеты по воздействию на путь грузового вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ модели 18-100 с осевыми нагрузками 23; 25; 27; 30 и 35 тс. Расчеты выполнены для пути Р65 (0) 1840 (И) Щ50 с модулями упругости U= 10; 27; 40; 100 и 150 МПа. Расчетное значение U= 27 МПа соответствует типовой конструкции пути с деревянными шпалами; U= 100 МПа - конструкции с железобетонными шпалами с прокладками повышенной податливости; U= 150 МПа -типовой конструкции с железобетонными шпалами [32]. Результаты расчетов приведены в табл. 2.4 и на рис. 2.5, 2.6 и 2.7.
Полигонные испытания участка пути по стыкам вразбежку на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ
Затяжка стыковых болтов оказывает значительное влияние на условия развития динамических сил, действующих на элементы пути в зоне стыка. Чем плотнее затянуты болты, тем «солидарнее» работают оба соединяемых рельса и тем меньше дополнительные силы и вибрации, действующие на элементы пути. При ослабленной затяжке стыкуемые рельсы работают под поездной нагрузкой раздельно, что приводит к перегрузкам стыковых шпал и увеличению вибрационных ускорений на 25 - 41 %. Влияние затяжки возрастает также с увеличением скорости движения от 60 до 90 км/ч [9]. Кроме того, при более сильной затяжке стыковых болтов лучше работают рельсовые цепи.
Современные рельсовые стыки уравнительных пролетов бесстыкового пути характеризуются недостаточной стабильностью натяжения болтов и стыковых сопротивлений перемещениям рельсовых концов под нагрузкой. Причиной этого является низкая прочность стыковых болтов из Ст.35, которые не могут быть загружены крутящим моментом более 60 кгс-м из-за пластической их деформации.
Одним из наиболее перспективных направлений повышения стабильности, надежности и эффективности стыковых соединений рельсов в уравнительных пролетах является применение высокопрочных болтов из Ст. 40Х, допускающей почти двухкратное /Об увеличение усилий осевого растяжения при тех же геометрических размерах болтов. В настоящее время признано целесообразным применение высокопрочных стыковых болтов с моментом затяжки 100 - 120 кгс-м. Однако, в этом случае при использовании клиновых накладок вертикальные растягивающие напряжения в шейке у торца рельса (с пониженной высотой шейки) и у первого болтового отверстия могут достигать предела текучести рельсового металла [74]. Следовательно, усталостный вертикальный разрыв шейки в процессе эксплуатации при таких условиях практически неизбежен. Необходимым условием применения высокопрочных болтов является переход на шарнирные накладки.
Конструкция накладок шарнирного типа является ключевым техническим решением проблемы предотвращения отказов рельсов в пути из-за дефектов 52.1 и 53.1-2 и обеспечивает повышение стабильности рельсового стыка за счет использования высокопрочных болтов.
На железных дорогах США, Канады, Японии накладки шарнирного типа используются очень широко. В США их начали внедрять в конце 30-х годов [92]. В настоящее время на железных дорогах США, Канады, Австралии, Японии, Англии и других стран наибольшее распространение получил рельс типа 132RE с постановкой в стыках накладок шарнирного типа. Применение двух типов накладок на протяжении длительного времени эксплуатации выявило довольно существенные преимущества шарнирных накладок. Из-за расклинивающего действия между низом головки и верхом подошвы рельса клиновые накладки склонны к перекашиванию или непараллельному соединению рельсов, что вызывает появление больших напряжений в шейке рельса. Конструкцию шарнирной накладки можно сравнить с треугольником или пирамидой; накладка соприкасается с рельсом на переходе нижней части головки рельса в шейку. Такая конструкция обеспечивает лучшее распределение напряжений, более простую установку и регулировку при износе рельса и стыковой накладки.
Клиновые накладки, как правило, не могут быть сразу прочно закреплены в пазухе рельса, поэтому их приходится неоднократно подтягивать, пока они не займут окончательного положения. Шарнирные накладки устанавливаются цилиндрической поверхностью в соответствующую ей выкружку в пазухе рельса и при затяжке болтов поворачиваются относительно этого шарнира до тех пор, пока нижняя поверхность накладки, имеющая также цилиндрическую форму, не будет плотно подтянута к плоской поверхности подошвы рельса.
Шарнирные накладки в значительной мере снижают воздействие на шейку рельса отклонений элементов рельсов от стандартных значений и, являясь геометрически определенной системой, снижают затраты на текущее содержание пути при закреплении стыковых болтов.
Однако эти накладки можно применять только при рельсах тяжелых типов, так как размеры пазух рельсов легких типов недостаточны для размещения в них таких накладок.
