Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса об обеспечении плавности движения поездов в кривых 6
1.1 Общие положения 6
1.2 Износ рельсов в кривых 6
1.3 Установление допускаемых скоростей движения в кривых 9
1.4 Требования к конструкциям пути на участках скоростного движения 16
1.5 Прогнозирование отказов элементов верхнего строения пути 20
1.5 Выводы 23
2. Исследование износа рельсов в кривых 25
2.1 Природа и причины износа рельсов 25
2.2 Математическая модель оценки интенсивности бокового износа рельсов 28
2.3 Основные факторы, определяющие интенсивность бокового износа рельсов в кривых 40
2.4 Подуклонка рельсов и их износ 46
2.5 Влияние возвышения наружного рельса и ширины колеи на интенсивность бокового износа рельсов 51
2.6 Выводы 54
3. Допускаемые скорости движения поездов в кривых 55
3.1 Особенности взаимодействия подвижного состава и пути в кривых 55
3.2 Допускаемые скорости движения в круговых кривых 59
3.3 Допускаемые скорости движения в зоне переходных кривых 67
3.4 Допускаемые скорости движения в смежных кривых 83
3.5 Определение параметров рельсовой колеи в кривых по лентам вагонов-путеизмерителей
3.6 Анализ состояния параметров рельсовой колеи в кривых 91
3.7 Выводы 95
4. Прогнозирование изменения состояния пути и сроки службы его элементов 97
4.1 Общие принципы прогнозирования изменения состояния пути 97
4.2 Сроки службы элементов верхнего строения пути
4.2.1 Прогнозирование отказов рельсов 107
4.2.2 Сроки службы рельсов 110
4.2.3 Сроки службы шпал 117
4.2.4 Сроки службы балласта 122
4.2.5 Межремонтные нормы по среднему и подъемочному ремонтам пути 124
4.3 Выводы 127
Заключение 128
Список литературы
- Установление допускаемых скоростей движения в кривых
- Основные факторы, определяющие интенсивность бокового износа рельсов в кривых
- Допускаемые скорости движения в зоне переходных кривых
- Прогнозирование отказов рельсов
Установление допускаемых скоростей движения в кривых
Изнашивание - это процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и ее остаточной деформации .
Основным процессом, возникающим при трении материалов и приводящим к износу, является упругопластическая деформация как результат взаимодействия микрорельефов соприкасающихся поверхностей.
Наиболее распространенным считается усталостное изнашивание, которое является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей и рассматривается как кумулятивный процесс, т.е. суммирующий действие отдельных факторов при многократном нагружении фрикционных связей, что приводит в итоге к отделению частиц износа . Отделение частиц может происходить в результате наклепа поверхностного слоя, вследствие чего он становится хрупким и разрушается.
Вторым по распространенности является абразивное изнашивание рельсов и колесных пар подвижного состава, при котором на трущихся поверхностях появляются абразивные частицы, разрушающие поверхность за счет резания и царапания . Часто абразивными частицами бывают продукты самого износа - твердые образования структурных составляющих разрушенных микрообъемов материалов .
Адгезионное изнашивание связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного взаимодействия, силы которого превосходят прочность связей материала поверхностных слоев с основным материалом . Адгезионные связи образуются в процессе механического взаимодействия микровыступов контактирующих тел и сопровождаются значительным изменением потенциальной энергии поверхностных слоев, что приводит, как правило, к схватыванию контактирующих участков, глубинному вырыванию материала, переносу его с одной поверхности трения на другую и воздействию возникающих неровностей на сопряженную поверхность [6-8]. В практике очень редко элементы конструкций подвергаются какому то одному виду изнашивания, однако, следует представлять, что износостойкость может преимущественно определяться каким-то одним видом изнашивания, доминирующим в конкретных условиях работы конструкций . В связи с этим представляют интерес данные по объяснению механизма различных видов изнашивания . Н.И. Карпущенко [32] отмечает, что в последние годы все большее распространение получает усталостная (кумулятивная) теория износа, которая основную причину разрушения поверхностных слоев связывает с возникновением усталостных трещин и отделением микроскопических чешуек материала или его окислов . При этом процесс изнашивания рассматривается как кумулятивный, т.е. суммирующий действия отдельных факторов при многократном нагружении фрикционных связей, что приводит в итоге к отделению частиц износа . Закон изнашивания материалов выражает зависимость интенсивности изнашивания от следующих факторов : силовых и кинематических параметров (давления на поверхности трения Р и скорости относительного скольжения V) ; параметров, характеризующих состав, структуру и механические свойства материалов пары трения (твердости Н, предела текучести а0,2 , модуля упругости Е и др.) ; свойств поверхностного слоя (шероховатости, жесткости, напряженного состояния) ; вида трения и смазки; внешних условий (температуры , наложения вибраций и др.).
Установлено, что под действием циклических нагрузок в металле происходят физические процессы, приводящие к ослаблению межатомных связей . Ослабление связей в кристаллической решетке вызывается повышением плотности дефектов кристаллического строения . Это приводит к возрастанию некоторых критериев статической прочности (предела текучести, микротвердости"), что подтверждает наличие стадии механического упрочнения. Последующее постепенное снижение структурно-чувствительных свойств свидетельствует о зарождении и развитии субмикроскопических нарушений сплошности металла. Накопление субмикроскопических нарушений сплошности вызывает общее разрыхление кристаллической решетки и разрушение некоторой части межатомных связей . Изменение некоторых физических свойств металла под действием цикличе 27
ского нагружения подтверждает справедливость положений, лежащих в основе диаграммы усталостного разрушения.
Анализ большого числа исследований износа различных материалов в условиях граничного трения и трения без смазки показывает, что в общем случае интенсивность изнашивания прямо пропорциональна скорости относительного скольжения соприкасающихся тел, удельному давлению на поверхности трения и коэффициенту износа, характеризующему материал пары и вид изнашивания . Для большинства сталей зависимость между их твердостью и износостойкостью линейная. Износостойкость термически обработанных сталей также возрастает с увеличением твердости, но в меньшей степени .
Наиболее желательным, с точки зрения предотвращения износа, является жидкостное трение. Благодаря слою смазки не только значительно уменьшаются силы трения, но создаются условия для устранения или резкого уменьшения износа поверхностей. В условиях граничного трения смазка, во-первых, создает прочную поверхностную пленку, что связано с явлениями смачивания и налипания, и, во-вторых, взаимодействуя с поверхностными слоями материала, изменяет их структуру (модифицирует).
Анализ результатов исследований многих авторов показал, что наиболее интенсивно рельсы изнашиваются в кривых радиусом 650м и менее, особенно, в кривых радиусом менее 400м, протяженность которых составляет менее 2,5%, но они дают основной выход рельсов по износу (дефекты 43,44).
Износ рельсов увеличивается на подъемах и спусках из-за скольжения колес локомотивов при реализации больших сил тяги или торможения.
Увеличение твердости рельсов приводит к снижению интенсивности их износа. В результате наблюдений на Октябрьской железной дороге, установлено, что средний удельный износ рельсов при переходе от сырых к закаленным рельсам 2 класса снижается в 1,7 раза и к закаленным рельсам 1 класса - в 2,7 раза.
Многие исследователи считают основной причиной резкого повышения интенсивности износа рельсов и гребней колес в последние годы перевод вагонного парка с подшипников качения, при которых исключается разбрызгивание смазки на рельсы.
Основные факторы, определяющие интенсивность бокового износа рельсов в кривых
Кроме того, в каждой точке снимался профиль головки наружного рельса с помощью шаблона, изображенного на рис.2.6. Шаблон устанавливался на рельс с опорой на подошву, свободное пространство между гранями шаблона, очерченными по профилю нового рельса и изношенной головкой заполнялось пластилином. Затем профиль переносился на бумагу. На рис.2.7 представлены профили головки рельса в кривых с радиусами R=355M И R=413M.
По полученным профилям головок рельсов были определены следующие параметры : радиус округления головки рельса, углы наклона поверхности катания и боковой грани; боковой и вертикальный износы головок рельсов.
Подуклонка рельсов определялась следующим образом. Из углов наклона подошв рельсов относительно горизонта, измеренных уровневым прибором, вычитался угол наклона шпал от возвышения наружного рельса. Таким образом, вычислялся угол наклона подошв рельсов относительно поверхности шпал. Для наружного рельса рассчитывался еще угол наклона головки рельса с учетом угла наклона поверхности катания по профилю.
По вышеописанным углам определялась подуклонка l/n = tg а , где а-соответствующий угол наклона.
Статистические характеристики исследуемых параметров представлены в таблице 2.7. Знак «минус» в таблице обозначает разуклонку рельсов. Таблица 2.7 Статистические характеристики параметров исследованных кривых Подуклонка подошвы -1/89 -1/52 1/20 1/116 1/63 1/295 Анализ профилей головок наружного рельса позволил сделать вывод о неравномерности износа. Наиболее изношена зона скруглення головки рельса и зона боковой рабочей грани. Причем, поверхность катания уже в начальный период эксплуатации (измеряемые рельсы пропустили тоннаж 35млн ткм брутто/км) приобрела уклон в сторону колеи. Поверхность катания наружного рельса имеет угол наклона 4... 10 %.
Угол наклона боковой рабочей грани находится в пределах 68...70%, что приблизительно равно углу наклона гребня локомотивного колеса. Это свидетельствует о том, что в начальный период эксплуатации боковая грань рельса прирабатывается под профиль локомотивного колеса, следовательно, интенсивность изнашивания обуславливается при небольших значениях износа в основном, воздействием локомотивных колес.
Для подтверждения этих предположений были использованы результаты наблюдений за износом рельсов на опытных участках с подуклонкой новых рельсов 1/15 и на контрольных участках с подуклонкой 1/20 [4]. Подуклонка 1/15 создавалась за счет клиновидных деревянных прокладок под металлические подкладки. Опытные участки располагались на Заринской дистанции пути Западно-Сибирской железной дороги в кривых радиусом 407, 408 и 486 метров общей протяженностью 1200м. Контрольные участки располагались в кривых радиусом 344 и 495 метров с тем же верхним строением пути, что и на опытных участках. Среднее значение подуклонки на опытных участках сразу же после укладки составляло 1/15,4 при среднеквадратическом отклонении 1/1,05. На контрольных участках рельсы имели при укладке среднюю подуклонки 1/20,7 при среднеквадратическом отклонении 1/1,35.
Результаты наблюдений показали, что подуклонка рельсов на опытных участках в течение года оставалась стабильной, а на контрольных участках к концу года она уменьшилась до 1/40 и более. При этом боковой износ в кривых с подуклонкой 1/15 развивался в начальный период в 1,2... 1,4 раза медленнее, чем в кривых с начальной подуклонкой 1/20. Затем по мере разработки поверхности катания и боковой грани головки положительный эффект снизился. По данным наблюдений на опытных участках была сделана оценка корреляционной связи приращения подуклонки рельсов и приращения бокового износа для кривых радиусом 301...35ІМ. Значение выборочного коэффициента корреляции для выборки из 267 пар рассматриваемых величин составило -0,266, что говорит о слабой корреляционной связи между приращением подуклонки рельсов и бокового износа.
Действительно, как говорилось выше, влияние подуклонки на износ рельсов значительно, лишь, на начальной стадии работы рельсов, а для большой выборки, где значения приращения износа получены для рельсов и с малым, и достаточно большим износом, тесной связи между этими величинами нет. Хотя в целом просматривается тенденция небольшого снижения интенсивности изнашивания рельсов с увеличением их подуклонки.
По данным наблюдений опытного участка на ЗСЖД был выполнен корреляционный анализ связи возвышения наружного рельса, ширины колеи и бокового износа. К анализу были приняты данные 10 кривых участка Мошково-Чебула радиусами 499...610м и 12 кривых участка Инская-Сокур радиусами 348...413м. Зависимость интенсивности бокового износа от возвышения наружного рельса аппроксимировалась функцией видаєш:. На рис.2.8 видно, что при увеличении возвышения наружного рельса от 40 до 130м, интенсивность износа снижается на 10-15%. При этом коэффициент корреляции составил в первом случае -0,5, и во втором -0,6. Зависимость интенсивности бокового износа от ширины колеи представлена на рис.2.9. Выборочный коэффициент корреляции, характеризующий тесноту связи этих двух параметров для выборок, представленных в табл.2.2 и 2.3, был равен 0,1, что говорит об. отсутствии корреляционной связи между шириной колеи в исследованном-диапазоне от 1520 до 1540мм. и интенсивностью бокового износа рельсов.
Допускаемые скорости движения в зоне переходных кривых
Допускаемая скорость движения поездов по третьему ( среднему ) участку зоны переходной кривой определяется путем решения кубического уравнения ( 3.30 ). Допускаемая скорость движения поездов по всей переходной кривой определяется, как минимальная из рассчитанных для каждого из участков, как из условия ограничения непогашенного ускорения, так и из условия ограничения скорости изменения непогашенного ускорения с учетом допускаемой скорости подъема колеса по отводу возвышения наружного рельса.
Анализ расчетных формул по определению допускаемых скоростей в зоне переходных кривых показывает, что в начале переходной кривой скорость ограничивается в случае, когда начало отвода возвышения наружного рельса сдвинуто по отношению к началу переходной кривой на величину aj (рис.3.6).
При а} 0 допускаемая скорость определяется формулой (3.32 ) . При ан = 0.7 м/с эта формула имеет вид (3.40) vdon = 3 J = 3 = 3 Vi? \аі у a, Если зададимся величиной сдвижки a у в долях l0 : aj = 10; а] = 0.7510 ; а і = 0.51 о; «/ = 0.25lQ ,получим графики зависимости допускаемой скорости движения поездов от радиуса кривой и величины сдвижки а.\ (рис.3.8). Сравнение графиков, приведенных на рис.3.8 показывает, что существенное ограничение скорости возникает при несовпадении начала переходной кривой и отвода возвышения, превышающем 0.51о . Сдвижка отвода возвышения от начал переход К
Если возвышение наружного рельса начинается раньше начала переходной кривой (а і 0 ), то допускаемая скорость определяется по табл.3.4 или рис.3.7 и имеет существенное ограничение при величине возвышения hi, превышающим 20 мм.
В конце переходной кривой допускаемая скорость ограничивается, если отвод возвышения заканчивается в круговой кривой на расстоянии а2 от конца переходной кривой, по формулам ( 3.34) и ( 3.38 ).
Задавшись величиной а2 в долях lh ,получим коэффициенты снижения скорости по сравнению с допускаемой скоростью, определенной по непогашенному ускорению в круговой кривой по формуле ( 3.27 ).
Из табл.3.5 видно, что при смещении конца отвода возвышения по отношению к концу переходной кривой на величину а2 0.251 h , снижение допускаемой скорости в зоне переходной кривой не превышает 7-10 % от скорости в круговой кривой.
Коэффициенты снижения допускаемой скорости в зоне переходной кривой по сравнению с круговой кривой при смещении конца отвода возвышения на величину а Величина несовпаденияконцов переходной кривойи отвода возвышения Конец отвода возвышения сдвинут к центру кривой , а2 0 Конец отвода возвышения сдвинут от центра кривой .#? # h = 150 мм h = 100 мм a2 = lh 0.65 0.72 0.70 Л2 = 0.751/, 0.72 0.80 0.76 а2 = 0.51/, 0.84 0.87 0.80 a.2=0.25lh 0.92 0.93 0.90 Для ликвидации несовпадения отводов кривизны и возвышения наружного рельса при рихтовке кривых нужно снимать на только стрелы кривизны ,но и величины возвышения наружного рельса в точках через 10 м. При расчете выправки кривой на дисплее ЭВМ нужно выводить не только диаграмму кривизны, но и диаграмму возвышения ( рис.3.9,а).
Если начало отвода возвышения наружного рельса смещено к центру кривой на величину а і (рис.3.9,6 ), то при выправке кривой его нужно упо-ложить или укоротить переходную кривую 10 ,если крутизна отвода возвышения достаточна.
Варианты несовпадения отводов кривизны и возвышения наружного рельса. Если отвод возвышения начинается раньше начала переходной кривой (рис.3.9,в),то нужно или удлинить переходную кривую при расчете рихтовки, или поднять внутреннюю нитку, если это возможно. Если же при этом образуется бугор, то исправить отвод возвышения можно только при капитальном ремонте , срезав землеройной техникой лишний отвод возвышения.
Также, исправляется несовпадение концов переходной кривой и отвода возвышения (рис.3.9,г). В обоснованиях устройства колеи для обеспечения безопасности движения поездов, весьма важное значение имеет вопрос об устройстве сопряжения кривых в плане. Железнодорожный экипаж при следовании по сопряженным кривым претерпевает сложные перемещения в пространстве с резкими кренами кузова то в одну, то в другую сторону, изменением знаков вращения относительно горизонтальной и вертикальной осей .
Для обеспечения более плавного движения рекомендуется укладывать между ними прямые вставки . Если принять, что в среднем вагоны имеют частоту поперечных колебаний порядка 1...2.5 Гц,а количество циклов колебаний до момента затухания 2...3, то ,чтобы колебания, возникающие в одной кривой , полностью прекратились к моменту входа экипажа во вторую кривую, длина прямой вставки должна быть d (0.4...0.6)V, (3.41) где V - скорость ,км/ч ; d - прямая вставка ,м. В соответствии с нормативами прямые вставки должны быть не менее 50 м или 75 м#в зависимости от направления смежных кривых. В эксплуатации могут быть два случая сочетания близко расположенных друг от друга кривых : первый - динамически зависимые и второй - геометрически зависимые кривые. К первому случаю относятся кривые, расположенные на расстоянии друг от друга менее 50...75м, когда вход экипажа в последующую кривую не является еще установившимся после получения динамического воздействия при проходе предыдущей кривой. Ко второму случаю относятся кривые, прямая вставка между которыми меньше длины экипажа. Эти кривые называются сопряженными.
Для сопряжения кривых, имеющих вставки d 75 м, допускаемые скорости устанавливают специальным расчетом ,основанным на непревышении ан и скорости его нарастания ц/.
При этом сопрягаемые кривые разбиваются на четыре группы : первая -имеются переходные кривые и прямая вставка; вторая - имеются переходные кривые и нет прямой вставки ; третья - нет переходных кривых, но имеется прямая вставка ; четвертая - нет переходных кривых и нет прямой вставки.
В тех случаях, когда отвод возвышения не совпадает с отводом кривизны и часть отвода возвышения распространяется на прямую, за длину прямой вставки следует принимать расстояние между концами отводов возвышения наруж-него рельса.
Так как прямые вставки длиной менее 5 м трудно определять и содержать , то при установлении допускаемых скоростей движения в таких случаях следует принимать, что прямая вставка отсутствует. Если длина переходной кривой оказалась менее 20 м, то следует принимать случай, когда переходная кривая отсутствует.
При установлении длин прямых вставок d и допускаемых скоростей движения по ним необходимо определять не только абсолютные значения непогашенных ускорений а„ и скорости их нарастания (//, но и относительные величины, характеризующие их изменения при переходе экипажа от одного элемента сопряжения к другому.
Скорость нарастания ускорения определяется по концам и в середине вагона, рассматриваемого как отрезок Ъ . Поскольку движение вагона по сопряжениям кривых сложное, то величину ц/ находят как произвольную по времени от ан и как линейную аппроксимацию изменения ан на участке d+b с учетом неблагоприятного сочетания поперечных ускорений по шкворням вагона, которые
Прогнозирование отказов рельсов
По разности координат начала второй и первой переходных кривых рассчитывается длина кривой.
Стрела изгиба кривой, снимаемая с диаграммы записи рихтовки по наруж-ней нити со знаком «плюс» или «минус» , позволяет установить взаимное положение соседних кривых. Соседние кривые, имеющие стрелы изгиба одного знака , одного направления ,с разными знаками - обратные.
Длина первой и второй переходной кривой снимается с диаграммы записи рихтовки .Указанное расстояние увеличивается с учетом масштаба записи.
Возвышение наружного рельса кривой снимается с диаграммы записи уровня в миллиметрах ; с учетом масштаба записи увеличивается в два раза.
В пределах одной переходной кривой встречаются участки с разным уклоном отвода возвышения . В этом случае для расчета скорости выявляется участок с максимальным уклоном на длине 30 м и более.Значение записывается в тысячных с двумя знаками после запятой ( например : 1.25 %о - 0,025 ) .
Расстояние от начала переходной до начала отвода возвышения и от конца переходной кривой до конца отвода возвышения снимаются с ленты вагона-пу-теизмерителя в результате сравнения диаграммы рихтовки и уровня. Значения этих величин заносятся со знаком «плюс» или «минус». Знак «плюс» означает , что начало ( конец) отвода возвышения относительно начала ( конца) переходной кривой смещены внутрь кривой ( к центру кривой ). В этом случае отвод возвышения запаздывает относительно нарастания кривизны. Знак «минус» ставится, если начало (конец) отвода возвышения относительно начала (конца) переходной кривой смещены наружу от центра кривой. В этом случае отвод возвышения опережает нарастание кривизны.
Длина прямой вставки за рассматриваемой кривой выявляется на основании анализа диаграммы рихтовки и уровня. Она замеряется в том случае, если последующая за рассматриваемой кривая расположена на расстоянии не менее 75 м . В тех случаях, когда отвод возвышения не совпадает с отводом кривизны и часть его располагается на прямом участке пути ,за прямую вставку принимается расстояние между концами отводов возвышения.
По изложенному в данной работе алгоритму заведующим Путеиспытатель-ной лаборатории СГУПС В.Г. Осиповым была разработана программа расчета допускаемых скоростей движения поездов в кривых. Программа позволяет не только определить допускаемую скорость по всем приведенным здесь показателям, но и установить причину ограничения скорости движения в каждой кривой. Параметры всех кривых снимались с лент вагона-путеизмерителя и заносились в базу данных ЭВМ. На участке Называевская-Новосибирск по 1 и 2 путям имеется 314 кривых. Максимальная допускаемая скорость движения поездов по кривой при наибольшем возвышении наружного рельса в 150мм определяется по формуле vmax = 4.6jR, (3.53) где vmax - максимальная скорость движения поездов в кривой, км/ч; R- радиус кривой, м. Результаты расчетов, сделанных по вышеприведенной формуле, приведены в табл.3.8.
Всего 314 25 41 64 Из этой таблицы видно, что на 25 кривых допускаемые скорости менее 120км/ч. Однако эти кривые расположены в основном на крупных узлах (Омском, Барабинском, Новосибирском), где максимальные скорости и по другим соображениям не должны быть более 120км/ч. На участках Называеская-Карбышево, Московка-Татарская ограничений скорости, вплоть до 160 км/ч, из-за недостаточного радиуса нет. На участке Чулымская-Новосибирск положение хуже, но все кривые с недостаточным радиусом расположены на участке Коче-нево-Новосибирск. Здесь скорость более 120км/ч поднять не удастся.
Кроме радиуса кривой и возвышения наружного рельса на величину допускаемой скорости оказывают существенное влияние длины переходных кривых, крутизна отводов возвышения наружного рельса, несовпадения начала и конца переходных кривых и отводов возвышения, а также длины прямых вставок при наличии сопряженных кривых.
Все кривые, имеющиеся на участке Называевская-Новосибирск, были проверены на соответствие их требованиям Приказа МПС РФ №2ЦЗ от 14.07.94г. [67] для установленных в данное время и планируемых скоростей движения поездов. Кроме этого, на ЭВМ по специальной программе, разработанной авторами [56] для всех кривых по их фактическим техническим параметрам, были определены допускаемые скорости движения поездов. В результате выявлены кривые, фактическое состояние которых не соответствует планируемым скоростям. Общее количество таких кривых по участкам приведено в табл.3.9.
Анализ этой таблицы показывает, что без проведения дополнительных работ по выправке и переустройству кривых только на 75 кривых можно повысить скорость движения поездов до 120 км/ч, на 39 кривых - до 140 км/ч и на 29 кривых - до 160 км/ч. Основные причины ограничения скоростей движения поездов представлены в табл.3.10 и 3.11.
