Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности работы бесстыкового пути 8
1.1 Общие сведения о бесстыковом пути 8
1.2 Вопросы терминологии в области эксплуатации бесстыкового пути 13
Выводы по главе 1 17
Глава 2 Моделирование работы бесстыкового пути различными методами 19
2.1 Существующие методы аналитической оценки устойчивости бесстыкового пути, анализ их преимуществ и недостатков 19
2.2 Краткое описание сущности метода конечных элементов 29
2.3.Конечно-элементная модель температурно-напряженной конструкции пути, ее отличия и возможности 37
2.4 Оценка устойчивости против выброса бесстыкового пути для различных условий эксплуатации в среде конечно-элементного анализа 40
2.5 Экспериментальное моделирование процесса потери устойчивости на опытном полигоне СамГУПС 46
Выводы по главе 2 52
Глава 3 Расширение возможностей моделирования бесстыкового пути в среде конечно-элементного анализа 54
3.1 Расчет максимально допустимых превышений температур рельса относительно температуры закрепления при наличии в пути неровности, совпадающей по форме с критической 54
3.2 Оценка устойчивости бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане с применением корректирующего коэффициента 59
3.3 Применение многослойной нейронной сети для аппроксимации результатов 67
3.4 Анализ устойчивости при наличии отступлений от норм содержания балластного слоя 71
3.5 Анализ устойчивости против выброса при сочетании неблагоприятных факторов 75
3.6 Вариативный подход к решению задачи устойчивости бесстыкового пути в среде конечно-элементного анализа 77
Выводы по главе 3 91
Глава 4 Повышение безопасности эксплуатации бесстыкового пути 94
4.1 Существующие методы оценки запаса устойчивости пути 94
4.2 Методика оценки запаса устойчивости пути посредством поправочного коэффициента 97
4.3 Технология оценки запаса устойчивости бесстыкового пути на базе вагона-путеизмерителя 103
4.4 Апробация методики оценки запаса устойчивости 108
Выводы по главе 4 114
Заключение 116
Список литературы 119
- Вопросы терминологии в области эксплуатации бесстыкового пути
- Краткое описание сущности метода конечных элементов
- Оценка устойчивости бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане с применением корректирующего коэффициента
- Методика оценки запаса устойчивости пути посредством поправочного коэффициента
Вопросы терминологии в области эксплуатации бесстыкового пути
Вопросы, связанные с поперечной устойчивостью бесстыкового пути, не перестают быть актуальными со времени создания и широкого внедрения данной конструкции, так как до сих пор не принята методика оценки безопасности пути с точки зрения его сопротивляемости выбросу. Следует отметить, что термин «устойчивость» весьма перегружен и используется повсеместно: в механике, математике, энергетике, биологии и ряде других наук. Особое значение в связи с этим приобретают вопросы терминологии: в настоящее время понятия устойчивости, выброса пути, потери устойчивости в различных источниках имеют определения, иногда противоречащие друг другу. Поэтому совершенно необходимо принять в качестве определения понятия устойчивости бесстыкового пути то его общее содержание, которое наиболее точно и полно будет отражать его суть [11].
Остановимся на определениях, указанных в наиболее часто используемых в теории и практике источниках: - Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути, утвержденной Распоряжением ОАО «РЖД» №2788р от 29 декабря 2012 г. [15].
В ТУ-2012 [15] понятие «устойчивость» употребляется многократно, как в самих указаниях, так и в прилагаемой терминологии, однако определения данного термина не указано, что можно считать существенной недоработкой. «Выброс», согласно инструкции по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути определяется как резкое нарушение продольной устойчивости бесстыкового пути в виде одно- или многоволнового горизонтального или вертикального искривления путевой решетки под действием сжимающих продольных сил.
В рекомендациях по терминологии бесстыкового пути [2] «устойчивость» определяется как устойчивость положения пути относительно перемещений и осадок под воздействием нагрузок от подвижного состава и температур. На устойчивость пути существенно влияет пластическое и упругое поведение балластного слоя и основания, а также жесткость рельсошпальной решетки. Выбросом же считается внезапное искривление железнодорожного пути в горизонтальной плоскости под воздействием продольных сил, величина которых превышает критическую сжимающую силу. Также обозначен термин «устойчивость против выброса», означающий устойчивость положения пути в горизонтальной (реже в вертикальной) плоскости при продольном изгибе, вследствие высоких сжимающих сил, зависящая от соотношения сил, действующих против выброса и вызывающих его. Следует отметить, что данное определение устойчивости более всего подходит для описания понятия стабильности рельсовой колеи, нежели устойчивости против выброса.
В.Г. Альбрехт [1] отмечает устойчивость как одну из особенностей бесстыкового пути, обуславливающую требования к его конструкции и температурному режиму, то есть устойчивость под действием сжимающих продольных сил. Выброс, по мнению автора, это резкое искривление пути при достижении сжимающими продольными силами критических значений.
Определение устойчивости из курса строительных материалов, как наиболее содержательное, употребляет М.Ф. Вериго [11]: устойчивостью находящихся в равновесии конструкций и сооружений называют их способность после воздействия на них небольших сил, вызывающих превышение заранее установленных для их работы уровней силовых воздействий или при небольшом превышении предельных допустимых отклонений в значениях других параметров, возвращаться в свое исходное состояние или практически близкое к нему с сохранением заданной работоспособности или функционирования, после того как силовые или другие отклонения в работе конструкций и сооружений будут уменьшены или вообще сняты.
Как совершенно правильно указано в курсе сопротивления материалов [16], понятие устойчивости в механике многогранно и может быть детально определено только в зависимости от объекта, к которому оно применяется, и от методов исследования этого объекта. Следуя методу Эйлера, если сила приложена строго вдоль оси стержня, то прямолинейное состояние стержня является состоянием его равновесия. Потерей же устойчивости называется такое изогнутое состояние стержня, которое также является состоянием его равновесия.
Краткое описание сущности метода конечных элементов
На основании уравнения упругой изогнутой оси балки М.Ф. Вериго разработана и апробирована модель устойчивости бесстыкового пути, в которой получена кинетика развития процесса потери устойчивости от действия продольных и вертикальных сил [11]. Основное отличие от предшествующих моделей устойчивости состоит в том, что автору удалось от уравнения статики перейти к уравнению динамики процесса деформирования рельсошпальной решетки, а также добавить вариативный подход к решению задачи устойчивости. Решение полученного уравнения осуществлено в среде конечно-разностного анализа посредством языка программирования Delphi -имитационные модели пути ИМ-1 и ИМ-2.
Результаты расчета выдаются как в графическом (график распределения перемещений по длине участка моделирования в определенный момент времени), так и текстовом виде.
Метод конечных элементов Метод конечных элементов (МКЭ) - численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твердого тела, теплообмена, гидродинамики и электродинамики [65, 66, 67, 68, 69, 70]. Метод конечных элементов является аналитической процедурой, интенсивная разработка которой велась в течение сравнительно короткого промежутка времени. Ключевая идея метода при анализе поведения конструкций заключается в следующем: сплошная среда (конструкция в целом) моделируется путем разбиения ее на области (конечные элементы), в каждой из которых поведение среды описывается с помощью отдельного набора выбранных функций, представляющих напряжения и перемещения в указанной области. Эти наборы функций часто задаются в такой форме, чтобы удовлетворить условиям непрерывности описываемых ими характеристик во всей среде. В других случаях выбранные представления полей не обеспечивают непрерывности и, тем не менее, дают возможность получить удовлетворительное решение. При этом, в отличие от полностью непрерывных моделей, нет полной уверенности в сходимости решения. Если поведение конструкции описывается единственным дифференциальным уравнением, то получить приближенное решение этого уравнения можно как методом конечных элементов, так и с помощью техники разложения в ряды или конечно-разностных схем. Если же конструкция в целом неоднородна и состоит из большого количества отдельных конструктивных элементов, поведение каждого из которых описывается своим дифференциальным уравнением (бесстыковой путь является именно таким видом конструкции), то в этом случае применение метода конечных элементов представляется наиболее обоснованным и перспективным [71, 72, 73, 74].
В настоящее время с помощью метода конечных элементов решается очень широкий круг задач, начиная с задач напряженно-деформированного состояния тел при контактировании их поверхностей [75, 76, 77] и заканчивая вопросами теплообмена [78].
В частности, методом конечных элементов успешно решаются вопросы устойчивости бесстыкового пути.
Одним из первых применил метод конечных элементов к расчету критических сил М. В. Безруков, разработав аналитическую модель в среде Cosmos/M, под руководством Э. П. Исаенко [79, 80, 81, 82].
В модели учитывается вертикальная, поперечная и продольная жесткость пути, сопротивление балластного слоя и промежуточных рельсовых скреплений, а также ослабления пути при отступлениях от норм содержания в плане. Фрагмент конечно-элементной модели изображен на рисунке 2.2. Результатом расчета были формы изгиба пути при изменении температуры плетей и величины критических температур. Однако метод расчета, принятый в модели - Buckling - не позволяет использовать нелинейные зависимости при моделировании процесса потери устойчивости, что заметно отдаляет полученные результаты от реальных. Также при использовании данного метода невозможно проследить сам процесс потери устойчивости пути.
Безрукова - Исаенко 1-рельс, 2-вертикальная жесткость сжатия, 3-боковая жесткость, 4-связь рельса со шпалой, 5-продольная жесткость, 6-шпала, 7-вертикальная жесткость на отрыв пути от балласта, 8-жесткость относительно вращения. Также известна модель бесстыкового пути, разработанная в вычислительном комплексе MSC Nastran, показанная на рисунке 2.3 [32]. Программные комплексы, использующие метод конечных элементов, активно развивались и на тот момент уже позволяли использовать нелинейные зависимости сил сопротивления. В данной модели впервые в среде конечно-элементного моделирования использована нелинейная зависимость сил сопротивления балластного слоя перемещениям, что значительно приближает работу модели к температурной работе реального бесстыкового пути по сравнению с моделью Безрукова-Исаенко.
Нагрузка на модель задавалась в виде температурного воздействия на элементы. Для расчета устойчивости был принят метод - Nonlinear Static [83, 84], который позволяет просчитать модель на прочность и устойчивость, с учетом деформирования модели в процессе нагружения.
Однако стоит отметить, что элемент Rigid (абсолютно жесткий элемент), моделирующий ограничение на перемещения рельсовых плетей, то есть имитирующий работу рельсовых скреплений был задан в прямоугольной системе координат, что создает погрешность результатов, которая возрастает вместе с длиной плети (рисунок 2.4). Выходит, что правильная работа этого элемента обеспечивается только на шпале с координатами по оси Х, равными нулю (обозначено «1» на рисунке 2.4).
Оценка устойчивости бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане с применением корректирующего коэффициента
Очевидно, что бесстыковой путь представляет собой бесчисленное множество сочетаний неровностей различных амплитуд и длин, поэтому необходимо остановиться на вычислении такой формы неровности, при наличии которой по длине пути максимально снижается сопротивляемость выбросу бесстыкового пути. Для бесстыкового пути критической является неровность, совпадающая с формой потери устойчивости, то есть одними из главных факторов оценки безопасности бесстыкового пути в плане обеспечения его устойчивости являются длина и амплитуда неровности в плане.
Длина неровности, форма которой наиболее значительно ослабляет устойчивость бесстыкового пути, очевидно, зависит от величины амплитуды, то есть с увеличением стрелы изгиба подобной неровности увеличивается и ее длина. Но также важными факторами являются силы сопротивления перемещениям рельсошпальной решетки в балластном слое и промежуточных рельсовых скреплениях. Для определения наиболее опасных интервалов длин неровностей при разных амплитудах достаточно вычислить два краевых случая: при максимальных силах сопротивления балласта и скреплений (путь обкатан (41,3 млн.т.), машина Дуомат (2 прохода), с уплотнением плеча балластной призмы виброплитой, скрепления типа КБ с моментом затяжки клеммных болтов 200 Нм) и минимальных (путь поднят на чистый балласт, ящики засыпаны, скрепления типа КБ с моментом затяжки клеммных болтов 50 Нм).
Для получения такой формы неровности приложим к рельсошпальной решетке перемещение в направлении, перпендикулярном оси пути, которое и будет являться амплитудой (стрелой изгиба) локальной неровности. Далее представлены результаты расчетов длин неровностей при наибольших силах сопротивления потери устойчивости и наименьших для стрел изгиба 5, 10, 15, 20 и 30 мм в табличной форме (таблица 3.1). Таким образом, минимальные длины неровностей соответствуют пути с наибольшими возможными силами сопротивления перемещениям рельсошпальной решетки, максимальные - с наименьшими нормативными силами сопротивления.
А.Я. Коганом в работе по определению критических форм неровностей [21], в которой показывается совпадение критической формы неровности с синусоидой. На рисунке 3.1 в качестве примера представлена форма критической неровности для кривой радиусом 600 метров при амплитуде неровности 20 мм, балласт уплотнен машиной Дуомат с уплотнением плеча балластной призмы виброплитой, скрепления КБ с моментом затяжки болтов - 200 Нм в цилиндрический системе координат, ось ординат которой совпадает с осью рассматриваемого участка пути. Рисунок 3.1 - Форма критической неровности при амплитуде 20 мм
Аналогичную форму в цилиндрической системе координат имеют неровности для кривых различных радиусов, то есть параметры критической неровности не являются функциями от радиуса кривой.
Далее оценим устойчивость бесстыкового пути при наличии ненапряженной неровности, форма которой совпадает с критической для железнодорожного пути, находящегося в наиболее ослабленном состоянии: путь поднят на чистый балласт, ящики засыпаны, скрепления - КБ с затяжкой клеммных болтов 100 Нм. Результаты моделирования представлены в табличной форме (таблица 3.2).
Следует опять отметить, какую именно в данном случае температуру рельсовых плетей считать критической - это температура, при которой происходит наиболее резкий рост стрелы изгиба плетей [33]. На рисунке 3.2 представлено перемещение узла, находящегося в месте максимального изгиба плети, в зависимости от превышения температуры относительно температуры закрепления рельсов криволинейного участка пути радиусом 400 метров при амплитуде неровности 10 мм, совпадающей по форме с критической для данного сочетания начальных условий.
Наибольшее снижение устойчивости наблюдается при увеличении радиуса, что вполне естественно в связи с изменением кривизны пути, причем в кривых малых радиусов это снижение минимально, независимо от амплитуды неровности. В кривых очень малых радиусов снижение критической температуры при амплитуде критической неровности 20 мм составляет лишь 18-19%, когда как в кривых, близких по радиусу к прямым участкам пути, величина максимально допустимого превышения температуры снижается в 2,5 раза, что является немаловажным основанием для глубокого изучения вопроса мониторинга и выявления неровностей подобных форм при автоматизированной оценке пути. В то же время полученные результаты объясняют наличие фактов потери устойчивости в кривых больших радиусов, а также в прямых участках пути. Таким образом, установлены длины неровностей, которые представляют наибольшую опасность с точки зрения обеспечения устойчивости бесстыкового пути, а также получены величины снижения максимально допустимых превышений температуры закрепления при наличии в пути неровностей подобных форм. Исходя из полученных посредством моделирования результатов, следует сделать вывод, что наиболее опасным фактором в плане снижения устойчивости бесстыкового пути является не конкретные величины отступлений от норм содержания, указанные в ТУ-2000 [17] и ТУ-2012 [15] и привязанные к конкретным разностям смежных стрел изгиба, а именно сочетание амплитуды и длины неровности. Современные средства мониторинга состояния пути в плане позволяют с достаточной точностью определять макро-и микрогеометрию. Эти данные впоследствии можно использовать для анализа наиболее опасных участков бесстыкового пути, превышение температуры в которых относительно температуры закрепления может вызвать потерю устойчивости, особенно при наличии так называемых ослабляющих факторов, таких как загрязненный балласт, отсутствие балласта в шпальных ящиках, недостаточная величина плеча балластной призмы, неисправные или ослабленные промежуточные рельсовые скрепления.
Методика оценки запаса устойчивости пути посредством поправочного коэффициента
Со времен становления бесстыкового пути возникла проблема количественной оценки сжимающих и растягивающих усилий, возникающих при изменении температуры. Одним из направлений повышения безопасности эксплуатации бесстыкового пути является определение напряженно деформированного состояния рельсовых плетей, что позволяет предупредить и предотвратить отказы бесстыкового пути. Как известно, именно значительные продольные усилия являются причиной, ограничивающей полигон расширения бесстыкового пути, поэтому разработка методик по своевременному выявлению участков с наименьшим запасом устойчивости является одной из важнейших задач для исследователей.
В настоящее время существует несколько методов оценки напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей:
Существует несколько признаков, по которым можно определить концентраторы продольных усилий в рельсовых плетях: выдавленные нашпальные прокладки в продольном и поперечном (актуально для подкладочных рельсовых скреплений) направлении, наклон клеммных болтов либо ослабленные клеммы на нескольких шпалах подряд, следы натирания клеммы на подошве рельса, взбугривание или неплотное прилегание балласта к боковым граням шпал и их перекос и др.
Основным недостатком визуальной оценки пути является ее крайне низкая точность и надежность. Очевидно также, что данный метод оценки предвыбросного состояния пути требует значительных временных затрат. Также визуальная оценка подразумевает наличие человеческого фактора, что в свою очередь негативно сказывается на результатах оценки. 2 - подвижки на маячных шпалах
Контроль за угоном плетей осуществляется по смещениям контрольных сечений рельсовой плети относительно «маячных» шпал. Эти сечения отмечают поперечными полосами шириной 10 мм, наносимыми светлой несмываемой краской на верх подошвы и шейки рельсов внутри колеи. По смещению рельсов относительно шпал и фактической температуре рельсов определяют изменение напряженно-деформированного состояния.
Недостатком данного метода является указанный выше человеческий фактор - почти на всех дорогах Российской Федерации для сокрытия реальной величины угона контрольные метки замазываются и рисуются заново, что нередко приводит к потере устойчивости пути. 3 - инструментальные способы оценки напряженного состояния К ним относят механический, магнитный, оптический и ультразвуковой способы. В основе механического способа оценки напряженно-деформированного состояния лежит определение относительных деформаций локального участка пути от приложенной нагрузки. Продольные усилия или напряжения находят по закону Гука: =E, (41) где E - модуль упругости рельсовой стали, - относительная деформация рассматриваемого участка.
В полевых испытаниях погрешность определения сжимающих либо растягивающих напряжений с помощью данной методики не превышает 1-2С, что является вполне приемлемой точностью даже в сравнении с более современными методами. К недостаткам же данной методики можно отнести необходимость нанесения рисок-керн на рельсе для определения удлинения.
В основе магнитного метода лежит способность металла изменять магнитопроницаемость в зависимости от степени сжатия. Таким образом, суть метода сводится к определению магнитной проницаемости участка пути. К достоинствах данной методики относится отсутствие необходимости нанесения керн, а также независимость от чистоты поверхности. Недостатком же является наличие шумов при определении магнитопроницаемости из-за намагниченности рельсов сигнальными и тяговыми токами, а также зависимость намагниченности от структуры металла. Оптический метод представляет собой измерение деформаций в рельсовых плетях посредством оптических измерений подобно механическому способу. Недостатки и преимущества данной методики аналогичны таковым при использовании механических средств определения напряженно деформированного состояния. Ультразвуковой метод основан на свойстве ультразвуковых волн изменять скорость при прохождении материала в зависимости от напряженного состояния.
Следует отметить, что вышеперечисленные методики нельзя отнести к автоматизированным, что значительно снижает как точность и скорость определения напряженно-деформированного состояния, так и область их применения. 4 - метод изменения стрел изгиба [104]
Суть метода в мониторинге изменения стрел изгиба бесстыкового пути при разных проходах вагонов-путеизмерителей. При росте стрел изгиба без увеличения фактической температуры рельса и наличии на данных участках грубых неисправностей, влияющих на положение рельсовых плетей в плане, считается, что причиной роста стрел изгиба рельсов является нарушение температурного режима с недопустимым понижением в этом месте фактической температуры закрепления рельсовой плети. К преимуществам данной методики можно отнести применение автоматизированной оценки предвыбросного состояния бесстыкового пути. Данная методика получила ряд отзывов от ВНИИЖТа, в которых показывалось, что более вероятной причиной возникновения отступлений в плане является воздействие подвижного состава при ослабленной рельсошпальной решетке [105].
