Содержание к диссертации
Введение
1 Краткая историческая справка о становлении бесстыкового пути в России 8
2 Анализ известных методов решения задачи обеспечения устойчивости бесстыкового пути под действием продольных сил 25
3 Методика, техника и результаты экспериментального исследования длительных изменений продольных сил и перемещений в рельсовых плетях бесстыкового пути 46
4 Методика расчет бесстыкового пути на устойчивость с учетом фактора времени, воздействия поездов и радиуса кривой 64
4.1 Принятые обозначения и предпосылки к механико-математическим моделям, отражающим работу бесстыкового пути 64
4.2 Механико-математическая модель условий устойчивости бесстыкового пути, учитывающих воздействия поездов и фактор времени 69
4.3 Устойчивость бесстыкового пути под действием продольных сжимающих сил в кривых участках 76
5 Особенности проектирования, укладки, содержания и ремонта бесстыкового пути 83
5.1 Условия проектирования бесстыкового пути с учетом особенностей его устройства в кривых участках 83
5.2 Особенности укладки и сварки рельсовых плетей бесстыкового пути в кривых участках 86
5.3 Некоторые особенности текущего содержания и ремонтных работ на бесстыковом пути в кривых участках 91
Заключение 95
Список литературы 97
- Анализ известных методов решения задачи обеспечения устойчивости бесстыкового пути под действием продольных сил
- Механико-математическая модель условий устойчивости бесстыкового пути, учитывающих воздействия поездов и фактор времени
- Устойчивость бесстыкового пути под действием продольных сжимающих сил в кривых участках
- Особенности укладки и сварки рельсовых плетей бесстыкового пути в кривых участках
Анализ известных методов решения задачи обеспечения устойчивости бесстыкового пути под действием продольных сил
Мнение о том, что сопротивление повороту рельса относительно шпал в горизонтальной плоскости является, чуть ли не решающим для обеспечения устойчивости рельсошпальной решетки под действием продольных сжимающих сил, укоренилось давно, и К.Н. Мищенко в этом отношении тоже внес свою лепту. Он, например, в [13] пишет: «Жесткость рамы является мошным фактором устойчивости пути в горизонтальной плоскости». Если эту жесткость рамы практически обеспечить, то тогда действительно значительно повысилась бы устойчивость бесстыкового пути.
В [15] в разделе 2.6, посвященном устойчивости бесстыкового пути, сопротивлению повороту рельсов относительно шпал в узле скрепления также придается большое значение и сделана попытка учесть нелинейность зависимости реактивного момента этого сопротивления от угла поворота. По нашему мнению, автор раздела 2.6 [15] в более ранней своей работе [16] справедливо заметил, что «при рассмотрении больших периодов времени - месяцев, нескольких месяцев -стирается зависимость от перемещений, что обусловливается явлениями ползучести при установившейся температуре и релаксации усилий, передаваемых от балласта на шпалу, а также действием атмосферы». И хотя здесь речь идет не о реактивном моменте сопротивления повороту рельса относительно шпал, но и для этого сопротивления процитированная фраза, по нашему мнению, справедлива не в меньшей степени.
Определенный интерес с технико-исторической точки зрения представляет мнение К.Н. Мищенко по вопросу устойчивости бесстыкового пути, высказанное в разделе «Силы, вызывающие выбрасывание и сопротивляющиеся ему» [13]. В этом разделе он пишет: «Выбрасывание колеи происходит в плоскости наименьшего сопротивления. В вертикальной плоскости вертикальному выбрасыванию противодействует полный вес верхнего строения, значительная жесткость рельсов в этой плоскости и сцепление шпал с балластом. Сопротивление колеи выбрасыванию в горизонтапьной плоскости обычно меньше сопротивления в вертикальной плоскости возможно лишь при искусственном увеличении первого из названных сопротивлений или очень большой жесткости рельсошпаїьной рамы в горизонтапьной плоскости».
Тот факт, что потеря устойчивости железнодорожного пути происходит, как правило, в горизонтальной плоскости, подтвержден отечественной и мировой более чем 100 летней практикой.
В [13] далее сказано: «Для расчета бесстыкового пути необходимо, прежде всего, выяснить величину сил, вызывающих выбрасывание колеи и сопротивляющихся ему. К числу первых относятся температурные силы и воздействия подвижного состава на путь; к числу вторых - погонные вес верхнего строения, силы сопротивления, вызываемые жесткостью рельсов и рельсошпаїьной рамы, сопротивление перемещению вдоль и поперек пути по шпалам, сопротивление балласта перемещению шпал вдоль и поперек пути, а также перемещению вверх относительно балластной призмы».
Что касается «температурных сил и воздействия подвижного состава», то это действительно так, и на сегодня такая рекомендация в определенной степени даже опережает современное развитие науки. Что касается погонного веса верхнего строения, то эта фраза во времена К.Н. Мищенко в достаточной степени была актуальной, но в настоящее время в [17] было высказано обоснованное предложение пересмотреть вопрос о погонном весе верхнего строения в сторону его оптимизации. Несомненно, «жесткость рельсошпапьной рамы» и «сопротивления сдвигу шпал в балласте и рельсов по шпалам» необходимы в любые времена. По нашему мнению, если во времена КН. Мищенко проблема увеличения этих факторов была актуальной из-за общего на сети отечественных дорог тогда слабого верхнего строения, то в настоящее время и жесткость рельсов, и погонные сопротивления при любом состоянии железнодорожного пути, обеспечивающем безопасность движения с установленными скоростями, вполне достаточны для сохранения устойчивости.
До Великой Отечественной войны К.Н. Мищенко, работая профессором кафедры «Путь и путевое хозяйство» МИИТа, весьма активно продвиган идею применения бесстыкового пути на отечественных железных дорогах. В [13] он сообщал, что «конструкция бесстыкового пути, представлявшая собой усиление пути обычного устройства без добавления новых элементов, затрудняющих ремонт пути, была разработана по представлению Научно-исследовательского института пути и строительства в 1939 г. под нашим руководством студенческой бригадой МИИТа, получила одобрение и была намечена к осуществлению в опытном порядке. Однако начавшаяся война помешала осуществить этот интересный опыт, который, несомненно, дал бы ряд полезных указаний для практического разрешения в наших условиях проблемы бесстыкового пути».
Во время Великой Отечественной войны К.Н. Мишенко работал профессором в Новосибирском институте военных инженеров, где продолжал передавать свои знания и опыт студентам-курсантам. Среди его учеников тогда был М.С. Боченков (будущий профессор, д.т.н., заведующий кафедрой и проректор по научной работе ПИИЖТа), который от своего учителя узнал об идее создания бесстыкового пути с «саморазрядкой температурных напряжений». В 30-е годы XX века в Брандербурге была применена конструкция бесстыкового пути, в которой рельсовые плети при изменении температуры свободно удлинялись и укорачиватись, так как на их концах были установлены уравнительные приборы, а в середине рельсовые плети были заанкерены на неподвижных опорах.
Механико-математическая модель условий устойчивости бесстыкового пути, учитывающих воздействия поездов и фактор времени
В [15] было сказано: «Поскольку множество начальных конфигураций пути бесконечно и несчетно, строгое решение задачи должно давать ответ на то, при какой наихудшей форме начальной неровности и ее размерах потеря устойчивости происходит при наименьшем значении продольной силы в рельсах. Такое решение поставленной задачи, основанное на анализе нелинейного уравнения (2.29), дано в работе [42]. В этой работе доказано, что в критическом случае начальная ненапряженная неровность у0(х) порождает силовую неровность у(х) (неровность, обусловленную действующими силами в рельсах), совпадающую по конфигурации с формой потери устойчивости. При этом под формой потери устойчивости следует понимать конфигурацию малых приращений поперечных сдвигов рельсовой плети в начальный момент потери устойчивости (в начальный момент выброса пути)».
Данное высказывание было бы справедливым, если бы все параметры, входящие в (2.29), были бы детерминированными. А поскольку эти параметры случайные и «множество начальных конфигураций пути бесконечно и несчетно», то о точности решения можно было бы говорить только с оговоркой о вероятности этого события. Очевидно, что вероятность «точного» результата решения не может быть высокой. Тогда остается дня обеспечения безопасности движения руководствоваться теми конфигурациями положения рельсов в плане, которые определены в Инструкции ЦП 515 [62], ибо в ней неровности пути в плане менее крутые, чем те, которые получаются при статическом расчете бесстыкового пути на устойчивость.
В 2009 голу вышла в свет монография В.А. Покацкого и О.А. Суслова «Бесстыковой путь в кривых участках пути» (Самара, СамГУПС) [64]. Тема се почти совпадает с данной диссертационной работой.
Авторы [64], приводя анализ различных методов расчета бесстыкового пути на устойчивость. На с. 46 [64] со ссылкой на [60] приведено дифференциальное уравнение почти такое же, как (2.29), но в члене справа знак исправлен на противоположный.
В конце дается краткая характеристика общих преимуществ и недостатков методов в пределах статики. Имитационные модели, как и конечно-элементные -это численные методы решения дифференциальных уравнений, они необходимы в случае невозможности получить решение в элементарных функциях.
Важнее не метод решения дифференциальных уравнений, а достаточно правильный вывод самого дифференциального уравнения, которое и определяет модель работы конструкции под действием внешних и внутренних сил.
Фактор времени, как известно, ни в пределах теории упругости, ни в пределах теории пластичности учесть нельзя. Иногда возникает представление о том, что фактор времени можно учесть путем определения частоты силовых воздействий, если эта частота воздействий зависит от времени. Действительно, если частота силовых воздействий на конструкцию распределена во времени достаточно равномерно, то безразлично, что принимать за аргумент число воздействия или время, имея в виду условия работы этой конструкции, в данном случае бесстыкового пути. Под силовым воздействием в данном случае следует понимать воздействие на верхнее строение проходящего поезда при наличии в рельсах продольных температурных сил.
Для расчета строительных конструкций с учетом факторов времени существует теория ползучести. Эта теория была создана и начата относительно широко использоваться примерно в середине XX века. В результате расчетов в пределах теории ползучести можно отвечать на вопросы: когда, в каком месте конструкции, как изменится ее напряженно деформированное состояние [65]. В пределах теории ползучести решаются любые задачи из тех, которые были в поле внимания методов теории упругости или пластичности. Теория ползучести из трех названных самая общая. Если нет необходимости учитывать фактор времени, но необходимо знать остаточные деформации, применяется теория пластичности, как частный случай теории ползучести. При отсутствии остаточных деформаций, или если они пренебрежимо малы, применяют, как еще более частный случай, теорию упругости.
И в [65], и в других литературных источниках, где излагаются методы теории ползучести, например в учебнике [66], есть разделы, посвященные вопросам устойчивости стержней из материалов, имеющих различные упруго-вязкие свойства. Известны и другие исследования устойчивости сооружений с учетом процессов ползучести, например [67].
В расчетах бесстыкового пути впервые были применены методы теории ползучести в работах В.И. Новаковича [68, 69, 70, 71, 72] и др. Особенно подробно излагаются эти методы в первой монографии автора [28] и в относительно недавно опубликованном учебном пособии [14].
В [75] авторы, анализируя различные методы расчета железнодорожного пути на устойчивость, аргументированно доказали, что усложнения методов определения условий устойчивости не приблизили модель к натуре, а только ее удалили.
В [31] было высказано сомнение в целесообразности применения теории ползучести к расчету устойчивости бесстыкового пути на основании того, что будто бы в этом случае «путь находится в устойчивом состоянии только при температуре закрепления и может быть выведен из него при воздействии незначительной силы».
Если верхнее строение пути находится в состоянии, которое позволяет осуществлять движение с установленной и даже оіраниченной скоростью, то устойчивость в соответствии с расчетами по теории ползучести будет обеспечена с одним условием, чтобы продольная сжимающая сила была в пределах нормы, определяемой «оптимальной температурой закрепления».
Устойчивость бесстыкового пути под действием продольных сжимающих сил в кривых участках
Из приведенной таблицы видно, что разброс значений как /.,, так и f большой, но средние значения достаточно показательны. Средние значения начального сопротивления q„ в 4...6 раз меньше, чем те цифры, которые обычно брались [23] для статического расчета. Это значит, что минимальные значения очень близки к нулю. Коэффициент вязкости растет по мере обкатки, но главное, что порядок значений этого коэффициента практически одинаковый при разных значениях q = const, т.е. закон Ньютона (q = ) в данном случае справедлив. И важно отметить, что теснота связи О и j- очень велика.
Эксперименты В.В. Ершова определили закономерность, по которой, при превышении начального сопротивления происходит процесс ползучести рельсошп&тьной решетки поперек пути под действием продольных сжимающих сил.
Главное допущение на основании данных табл. 4.1 заключается в предпосылке, что в расчет нужно принимать начальное погонное сопротивление 0О=О. Это характерно для относительно небольшого процента от общей протяженности железнодорожного пути, но в таких местах есть повышенная опасность потери устойчивости, а этих мест на каждой железной дороге не одна сотня. И именно эти опасные места должны в первую очередь нас интересовать. На участках железнодорожного пути, где условия устойчивости лучше, и рассчитывать нечего. Кроме того, начальное сопротивление, какой бы величины оно ни было, не влияет на скорость роста стрелы изгиба рельсов в плане, как и радиус кривой.
В нашей постановке задачи исследования но определению математической модели работы бесстыкового пути преодоление начального погонного сопротивления считается всегда возможным, а степень устойчивости определяется скоростью роста стрелы изгиба рельсов на неровности в плане. При этом скорость роста стрелы зависит, прежде всего, от величины продольной температурной сжимающей силы, которая возникла в опасном месте из-за какой-либо погрешности во время текущего содержания или ремонтных работ.
В [14] методика расчета бесстыкового пути с привлечением теории ползучести предполагает, что начальное сопротивление, т.е. сухое трение, отсутствует. В [72] было показано, что начальное погонное сопротивление /„ влияет на величину начальной стрелы изгиба рельсов в плане, с которой начинается ее рост. В [14] приведены результаты экспериментов по выбору реологической модели сопротивления сдвигу шпал в балласте. Эта модель выбиралась путем сравнения экспериментальных графиков изменения сил и деформаций на действующих участках бесстыкового пути с графиками эталонных моделей (Кельвина, Фойгта, Максвелла). В результате такого выбора оказалось, что закону изменения сил и деформаций сдвигаемых в балласте шпал соответствует модель Максвелла. В модели Максвелла есть упругий элемент погонного сопротивления, последовательно соединенный с вязким. Нашими экспериментами были найдены значения мгновенного модуля упругости. Авторами [101] произведен расчет с использованием упругого элемента и без него. Расчетами в [101] было доказано, что влияние упругости при истечении времени с момента внезапного силового воздействия для реапьных условий в течении нескольких часов существенно. Но по истечению 10 часов и более это влияние почти полностью исчезает и графики зависимостей продольных сил и деформаций рельсов бесстыкового пути совпадают. В связи с этим, а так же основываясь на том, что найденное нами время релаксации балласта, не превышает 2000 секунд, мы подсчит&чи возможным в расчетах бесстыкового пути на устойчивость упругость балласта сдвигаемого железобетонными шпалами поперек оси пути не учитывать.
В 4.1 обоснована логика принятых обозначений и предпосылок, это обоснование также имеется в источниках, на которые даны ссылки. 4.2 Механико-математическая модель условий устойчивости бесстыкового пути, учитывающих воздействия поездов и фактор времени
Задача учета воздействия поездов и фактора времени при определении условий устойчивости бесстыкового пути была решена В.И. Новаковичем методом теории ползучести [14, с. 81-85].
В [14, с. 70] дифференци&зыюе уравнение имеет все знаки «+». Второе слагаемое без изменения результата расчета может иметь знак «-», поскольку при разделении переменных в уравнении (3.74) [14, с. 82] все члены могут быть умножены на «-1». При этом уравнение, определяющее конфигурацию изгиба, остается косинусоидой, а уравнение определяющее рост стрелы не меняется, если принять -Q.
Тогда математическая модель, дифференциальное уравнение поперечных перемещений рельсошпапьной решетки под действием продольной сжимающей силы с учетом воздействия поездов и фактора времени для прямого участка пути запишется так: дх4 дх2 дт (4.1) Такую запись дифференциального уравнения изогнутой оси рельсошпапьной решетки применил французский ученый Р. Леви [6].
Особенности укладки и сварки рельсовых плетей бесстыкового пути в кривых участках
Наиболее опасные места с точки зрения вероятности разрыва болтов зимой или потери устойчивости летом это места временного восстановления рельсовых плетей, где имеются рельсовые вставки. Как ранее отмечалось, зазоров в стыках на концах рельсовой вставки никогда не может хватить, чтобы зимой не допустить работы стыковых болтов на срез, а летом, чтобы не допустить больших продольных сжимающих сил, которые могут вызвать потерю устойчивости рельсошпальной решетки. В этой связи необходима срочная ликвидация этих вставок путем сварки, в первую очередь в кривых.
Сварка с применением ПРСМ хотя и возможна, но, как правило, ПРСМ из-за их малого количества на дорогах почти полностью заняты на капитальном ремонте и поэтому на текущем содержании они используются редко. Тогда при текущем содержании рационально применение термитной сварки. В РГУПСе совместно с СКЖД разработан новый способ сварки рельсовых плетей апюминотермитом при практически любых температурах рельсов (не ниже -5 С). Тогда на участке работ по сварке восстанавливается, и целостность рельсовой плети, и оптимальная температура закрепления.
С участием автора разработан способ газокислородной резки рельсов плети бесстыкового пути, который обеспечивает безопасность труда монтеров пути во время сварочных работ при температурах выше температуры закрепления. На данный способ получено положительное решение ФИПС.
В четвертой главе был сделан вывод о том, что устойчивость рельсошпазьной решетки не зависит от радиуса кривой, если учесть фактор времени и воздействие поездов. Однако при ремонтных работах и текущем содержании приходится производить, например, рихтовочные работы. В последнем случае в расчетах бесстыкового пути на устойчивость во время данной работы нет необходимости учитывать воздействия поездов. При производстве рихтовочных работ устойчивость может быть определена известными методами статики. В этом случае величина радиуса кривых влияет на нормы допускаемых отступлений от температуры закрепления во время производства рихтовочных и других работ.
Поскольку оптимальные температуры закрепления относительно высокие, то они в достаточной степени обеспечивают устойчивость рельсошпальной решетки при текущем содержании, хотя, если учесть условия производства ремонтных работ в кривых несколько в меньшей степени, чем в прямых.
Для создания равной устойчивости в кривых и прямых во время производства ремонтных работ с применением путевых машин предлагаем при всякой возможности в кривых участках бесстыкового пути (при R 800 м) температуру закрепления рельсовых плетей назначать более высокой, чем на примыкающих прямых участках на 5... 10 С.
При суточных и сезонных колебаниях температуры рельсов на концевых участках в пределах до 200 м происходят периодические «всплески» отступлений от температуры закрепления, которые, как показали наблюдения в главе 3, вызывают неисправности, в частности по крутизне неровностей рельсов в плане. Самым радикальным способом исключения причин поя&іения таких неисправностей является сварка всех стыков в уравнительных пролетах. До реализации данного решения не следует производить какие-либо выправочно-подбивочно-рихтовочные работы в пределах этих концевых участков во время роста температуры рельсов, т.е. в первой половине дня. При необходимости следует произвести снятие избыточной продольной сжимающей силы раскреплением концевого участка рельсовой плети. Во всех случаях перед такими работами, несмотря на то, что по данным нормативам в ТУ-2000 нет никакого запрета, следует выдать предупреждения поездам, как минимум «об остановке у красного». В И-2012 в таблице 4.3 «Допускаемые изменения температуры рельсовых плетей при работе путевых машин» нормируются ограничения по температуре рельсов для различных машин. Данная таблица появилась еше в ГУ-68, затем она дополнялась по мере появления новых машин. Она основана на методике расчета, предложенной проф. В.И. Новаковичем. По этой методике устойчивость пути определяется условием непревышения Эйлеровой силы суммы сжимаюших продольных сил от температуры и дополнительных воздействий, зависящих от особенностей конструкции путевой машины. В этой таблице есть дифференциация по радиусу кривой. В частности, рекомендации дифференцированы по радиусам R 800 м и R 800 м. Эти рекомендации для названных радиусов отличаются в большинстве случаев на 5 С. При работе машин условия устойчивости рельсошпальной решетки так же, как и при работах на текущем содержании, определяются методами статики. Это значит, что для кривых участков условия устойчивости несколько худшие, чем для прямых. Хотя это отличие в значительной степени компенсируется общей оптимальной температурой закрепления, которая достаточно высокая, чтобы при ремонтных работах с применением путевых машин не требовалось предварительное перезакрепление рельсовых плетей.
Однако в таблице 4.3 И-2012 даны допускаемые отступления в сторону понижения температуры рельсов во время работ по сравнению с температурой закрепления, где для всех путевых машин допускаемые отступления в кривых R 800 м в 25 С, а при R 800 м в 20 С. Эти цифры даны с целью не допустить сдвига рельсошпальной решетки внутрь кривой под действием растягивающих сил. При таком сдвиге произойдет понижение фактической температуры закрепления рельсовых плетей на /V = Mi/aR. В этом случае необходимо рихтовкой вернуть рельсошпальную решетку в проектное положение.
Если рельсовая плеть сверхдлинная, то при низких температурах можно ожидать изменение температуры закрепления в сторону ее понижения только на концевых участках в пределах 200...400 м в зависимости от разности температур и длительности их действия. Если работы производятся на коротких рельсовых плетях длиной до 800 м, то такие рельсовые плети следует считать потерявшими температуру закрепления. Расчеты с привлечением теории ползучести [14J показали, что плети длиной до 800 м изменяют свою температуру закрепления по всей длине за счет увеличения зазоров. Это происходит чаше в осенний период, в течение длительною похолодания, на ремонтируемых участках, на которых был разрыхлен б&пласт. Особенно если из-за предельного увеличения зазоров на уравнительных пролетах рельсы будут заменены на удлиненные. Для исключения такой потери температуры закрепления перед ремонтом рационально сваркой ликвидировать все уравнительные пролеты с вводом рельсовых плетей в оптимальный температурный режим их работы. Такая возможность появляется в связи со снятием ограничения применения бесстыкового пути со сверхдлинными рельсовыми плетями на участках с малыми радиусами кривых. Выв(х)ы
