Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор силовых факторов, воздействующих на путь, и технологий уплотнения щебёночной балластной призмы машинами 8
1.1. О состоянии уплотнения и стабилизации щебёночного балластного слоя в процессе глубокой очистки 8
1.1.1. Силовые факторы, воздействующие на железнодорожный путь 10
1.1.2. Работа балластного слоя железнодорожного пути 20
1.1.3. Уплотнённое состояние щебёночного балластного слоя, достигаемые современными технологиями производства путевых работ 22
1.2. Технологии формирования, уплотнения и стабилизации балластной призмы после глубокой очистки щебня 30
1.2.1. Технология фирмы «Ркээег & ТЬеигег» (Австрия) 40
1.2.2. Технология ЗАО «Тулажелдормаш» (г. Тула) 42
1.3. Выправочно-подбивочные и стабилизирующие машины- для уплотнения щебёночной балластной призмы после её глубокой очистки 43
1.3.1. Классификация рабочих органов для уплотнения балластной призмы 51
1.3.2. Рабочие органы выправочно-подбивочных машин циклического и непрерывно-циклического действия 54
1.3.3. Рабочие органы выправочно-подбивочных машин непрерывного действия 55
1.3.4. Рабочие органы машин для динамической стабилизации пути 57
1.4. Современное состояние исследований технологий уплотнения щебёночного балластного слоя машинами 59
2. Исследование на математических моделях процесса уплотнения балластного слоя рабочими органами путевой машины непрерывного действия с целью выбора их рациональных параметров 67
2.1. Системный подход к определению факторов технологического процесса уплотнения балластной призмы, влияющих на выбор параметров рабочих органов 68
2.2. Модель оценки уплотнённого состояния балластного слоя под шпалами с сегрегацией зон уплотнения 72
2.3. Модель взаимодействия уплотнительных поверхностей виброплиты с балластом с учётом текущего изменения свойств щебёночного балласта при уплотнении 78
2.4. Модель накопления изменений уплотнённого состояния балластного слоя под шпалами с учётом сегрегации и диффузии зон уплотнения 85
2.5. Разработка расчётных программ для определения параметров виброплит 89
3. Экспериментальные исследования уплотнения балластного слоя основными виброплитами машины ВПО 93
3.1. Анализ методов и способов определения плотности балластного слоя 93
3.1.1. Свойства балластных материалов, используемые в методах оценки качества уплотнения 93
3.1.2. Выбор методов определения плотности балластного слоя в пути 95
3.2. Разработка методики определения степени уплотнения балласта с использованием прибора УВП-ДИИТ 100
3.2.1. Требования к участку пути 101
3.2.2. Технические характеристики прибора 101
3.2.3. Формулы для расчёта 103
3.2.4. Схемы измерений 104
3.2.5. Обработка данных эксперимента 106
3.3. Экспериментальные исследования работы виброплит машины ВПО-ЗОООМ и обработка результатов 107
4. Результаты теоретических и практических исследований процесса уплотнения балластного слоя и их анализ 117
4.1. Сравнение результатов экспериментальных исследований с результатами расчётной модели 117
4.2. Определение уплотняющего эффекта при послойном уплотнении балластного слоя комплексом путевых машин 119
4.2.1. Графическая модель изменения состояния балластного слоя при уплотнении 119
4.2.2. Оценка остаточной осадки пути до предельного уплотнения 124
4.3. Методика выбора параметров и режимов работы модернизированной машины ВПО-ЗОООМ 127
4.3.1. Рекомендации по выбору параметров и режимов работы виброплит модернизированной машины ВПО-ЗОООМ..127
4.3.2. Технология работы комплекса с модернизированной машиной ВПО-ЗОООМ 130
4.4. Система управления основной виброплитой машины ВПО 132
4.5. Технико-экономическое обоснование применение машины ВПО-ЗОООМ в технологическом процессе глубокой очистки щебня... 135
Общие выводы 139
Литература 141
Приложения 148
- Технологии формирования, уплотнения и стабилизации балластной призмы после глубокой очистки щебня
- Модель оценки уплотнённого состояния балластного слоя под шпалами с сегрегацией зон уплотнения
- Разработка методики определения степени уплотнения балласта с использованием прибора УВП-ДИИТ
- Определение уплотняющего эффекта при послойном уплотнении балластного слоя комплексом путевых машин
Введение к работе
Актуальность.
За последние 20 лет на сети железных дорог России интенсивно внедрялись щебнеочистительные машины, производящие очистку балласта на глубине не менее 40 см. Выработка таких машин по всей сети составляет около 8 тыс. км ежегодно. При работе щебнеочистительных машин СЧ-600, СЧ-601, ЩОМ-6Б, РМ-80 на максимальной глубине вырезки возникли проблемы с последующей стабилизацией железнодорожного пути. Новые щебнеочистительные машины повышенной производительности СЧУ-801М, СЧ-1200, ЩОМ-1200 и др. позволяют производить раздельную укладку слоёв щебня с уплотнением первого слоя.
После глубокой очистки щебня современные выправочно-подбивочные машины (ВПМ) не обеспечивают требуемое качество уплотнения балластного слоя толщиной 30 — 40 см.
Актуальность определяется современными требованиями по реорганизации путевого комплекса, которые были приняты на расширенном заседании Коллегии 14 марта 2001 года.
Вопросом уплотнения балластного слоя занимаются многие организации как в России (ВНИИЖТ, ПТКБ ЦП, ВНИКТИ и др.), так и за рубежом («Plasser & Theurer», MTH Прага и др.). Проблема стабилизации пути изучена ещё недостаточно полно, главным образом, из-за отсутствия системного комплексного подхода теоретических знаний в методах силового воздействия на объём уплотнения балластного слоя.
Наиболее распространённым способом стабилизации пути является уплотнение балластного слоя выправочно-подбивочными машинами (ВПМ) циклического действия (ВПР, ВПРС, Unimat 08-275 и др.), непрерывно-циклического действия (Duomatic 09-32, 09-3X, ПМА и др.) и непрерывного действия (ВПО-3000, ВПО-3-3000). Основными недостатками работы ВПМ являются: неравномерность уплотнения зон балластной призмы; недостаточная степень уплотнения балласта; отсутствие операционного и оперативного контроля процесса уплотнения.
Разработка и научное обоснование технологии уплотнения щебёночного балластного слоя машинами типа ВПО в процессе глубокой очистки щебня позволит частично решить эти проблемы.
В работе использованы результаты НИР кафедры «Подъёмно-транспортные, путевые и строительные машины» ПГУПС, выполненной по плану НИОКР Департамента пути и сооружений ОАО “РЖД”, тема 10.1.122.21 «Анализ работы узлов машины ВПО-3000 и разработка рекомендаций и требований к пути и балластной призме при работе машины ВПО-3000».
Цель работы. 1) Разработка технологии уплотнения щебёночного балластного слоя машинами типа ВПО в процессе глубокой очистки щебня; 2) Разработка методики расчёта и выбора параметров уплотнительных рабочих органов машин типа ВПО.
Для достижения указанной цели необходимо решить задачи:
- исследовать факторы, влияющие на стабильное положение пути и процессы накопления остаточных деформаций в балластном слое;
- изучить недостатки теории и практики уплотнения;
- разработать математическую модель взаимодействия балласта с уплотнительным рабочим органом ВПМ;
- изучить способы определения плотности балластного слоя;
- разработать методику экспериментального определения степени уплотнения балластного слоя после работы путевых машин;
- составить математическую модель изменения состояния балласта при комплексном воздействии на него путевыми машинами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач выполнялись теоретические, экспериментальные исследования в натурных и лабораторных условиях, а также математическое моделирование.
Теоретический анализ выполнялся на основе выдвинутых гипотез о распределении и перераспределении характеристик уплотнённого состояния балластного материала по объёму балластной призмы до и после уплотнения рабочими органами путевых машин.
Экспериментальная проверка полученных результатов проводилась при производстве ремонта пути на объектах Восточно-Сибирской, Свердловской и Октябрьской ж.д.
Научная новизна. Научная новизна проведённых теоретических и экспериментальных исследований заключается в следующем:
- разработана математическая модель взаимодействия балласта с виброплитой ВПМ непрерывного действия;
- создана теоретическая модель процесса послойного уплотнения балластного слоя при комплексном силовом воздействии на него рабочими органами путевых машин, позволяющая обосновать параметры рабочих органов для достижения желаемого стабилизированного состояния балласта;
- разработана методика расчёта геометрических параметров уплотнительных рабочих органов ВПМ непрерывного действия;
- разработана методика пооперационного контроля показателей качества уплотнения балластного слоя при работе комплекса путевых машин.
Достоверность результатов исследований и основных научных положений основывается на корректном выборе методик, а также подтверждается результатами эксплуатационных испытаний.
Практическая значимость.
-
Разработана методика расчёта параметров уплотнительных рабочих органов машин типа ВПО с целью достижения заданного стабильного состояния балластного слоя и увеличения продолжительности межремонтного цикла ж.д. пути.
-
Разработанная методика оперативной оценки показателей стабилизированного состояния балластного слоя при работе комплексов путевых машин позволяет реализовать качественный мониторинг состояния пути.
-
Предложены и даны рекомендации по выбору режимов работы машин типа ВПО, позволяющих обеспечить качественное уплотнение балластного слоя после глубокой очистки щебня.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных ПГУПС в 2001-2005 гг., на заседаниях кафедр «Подъёмно-транспортные, путевые и строительные машины», «Железнодорожный путь» ПГУПС, на научно-технической конференции с международным участием в связи с 75-летием ПТКБ ЦП ОАО «РЖД» «Перспективы технического развития путевого комплекса ОАО «РЖД» в условиях его реформирования» в 2007г., на научно-техническом семинаре «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа» в брянском государственном техническом университете в 2009г.
Реализация результатов исследований.
Расчетные параметры виброплиты, полученные по предлагаемой методике, были использованы при проектировании (ПТКБ ЦП ОАО «РЖД» и ЦКБПутьмаш) и модернизации машин ВПО-3000 на Свердловском ПРМЗ (изготовлено 7 машин).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 статей, в том числе 1 работа в издании рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 147 страниц машинописного текста, содержит 61 рисунок, 10 таблиц. Список литературы включает 70 наименований отечественных и зарубежных авторов.
Технологии формирования, уплотнения и стабилизации балластной призмы после глубокой очистки щебня
Изучение процесса уплотнения требует применение системного подхода, позволяющего всесторонне рассмотреть силовое воздействие рабочих органов путевых машин на балластный слой. Восстановление свойств балластной призмы производится при выполнении ремонтных работ и 1111В [37]. В период 7з интенсивного накопления осадок (рис. 1.7) значительно снижается несущая способность балластного слоя. Вследствие накопления загрязнителей в балласте снижается коэффициент трения по площадкам контакта отдельных зёрен щебня и ухудшается дренирующая способность балласта, что приводит к появлению неравномерных осадок пути, выплесков и др. Поэтому одной из основных целей ремонта является очистка балластной призмы от засорителей, добавление свежего балласта и в отдельных случаях усиление балластной призмы.
Современные технологические процессы предусматривают полную вырезку или очистку загрязнённого щебня. Основные щебнеочистительные машины СЧ-600, СЧ-601, ЩОМ-6Б, КМ-76 и КМ- 80 имеют глубину вырезки 0,5 — 0,65 м ниже подошвы шпал, при этом имеется возможность уложить разделительный слой.
В 111КБ ЦП ОАО «РЖД» разработаны новые технологические процессы ремонта пути с глубокой очисткой балласта с применением СЧУ- 801Р, СЧ-1200- и ЩОМ-1200. Щебнеочистительные машины нового поколения имеют дополнительные функции по формированию и уплотнению нижнего балластного слоя, укладывая на него часть очищенного- щебня. Такие операции позволяют сократить период стабилизации отремонтированного пути. Машина ИМ-2002 не выполняет дополнительные операции по формированию и уплотнению нижнего слоя очищенного щебня, но имеет вибраторы для уплотнения, поверхности среза перед укладкой геотекстиля или пенополистирола и обладает производительностью — 1000 м /ч. Сравнительные характеристики щебнеочистительных машин повышенной производительности приведены в табл. № 1.2 [9, 10].определили, что СЧУ-800Р оправдывает своё назначение при нижнем слое щебня, состоящем из фракций 25 — 60 мм, а остальные машины интенсивнее уплотняют нижний слой из более мелких фракций (от 25 — 40 мм). На СЧ-1200 мелкие фракции отделяются и послойно отсыпаются на поверхность среза. На ЩОМ-1200 мелкий-щебень отбирает, классификатор (одноярусный грохот).
Расчетная схема очистки и уплотнения нижнего слоя очищенного балласта представлена на рис. 1.10.
По расчётной схеме Ю.В.Гапеенко [10] глубина очистки Нравна сумме толщины нижнего слоя очищенного щебня в рыхлом (до уплотнения) состоянии Нр = 20 см, высоты планировщика НП и зазора между подошвой шпал и его верхней плоскостью h3: Н= Нр + Hn + h3.В общем случае современный технологический процесс очистки балластного слоя показан на рис. 1.11. На первом этапе производится вырезка загрязнённого балласта (до 35% от общего объёма) у торцов шпал машинами ЩОМ-6Р, УМ-М (УМ-С) (рис. 1.11, б). Затем щебнеочистительные машины скребковым выгребным рабочим органом производят вырезку балласта под шпалами (рис.1.11, в), при необходимости укладывают разделительный слой геотекстиля (пенополистирола) и уплотняют нижний слой (рис.1.11, г). С помощью хоппер-дозаторов в путь выгружается (дозируется) требуемый объем свежего балласта (рис.1.11, д) и производится его планировка (рис.1.11, е). б) Вырезка балласта у торцов шпал г) Уплотнение нижнего слоя а) Загрязнённая балластная призма в) Вырезка балласта под шпалами После глубокой очистки балластного слоя производятся механизированные выправочно-подбивочные и планировочные работы. В состав этих работ входит постановка пути в проектное положение в продольном и поперечном профиле и по уровню с одновременным уплотнением балласта под шпалами и стабилизация балластного слоя. Операции по формированию уплотнённого балластного слоя рассмотрены на рис. 1.12. Уплотнение в подшпальной зоне машиной ВПОУплотнённый балласт
Не уплотнённый балластБалласт с повышенной степенью уплотнения 1.12. Формирование уплотнённого балластного слояСовременными технологическими процессами на ремонт пути, в зависимости от глубины очищаемого слоя балласта; предусматривается «объемное» уплотнение балластного слоя в подшпальной зоне со стороны торцов шпал с помощью основных виброплит (рис. 1.12, а, б) машин непрерывного действия ВПО-ЗООО (ВПО-З-ЗООО). Для эффективной работы машин ВПО должна производиться вырезка загрязнённого щебня у торцов шпал, на ширину не менее 3,9 м, чтобы исключить попадание загрязнённого балласта вместе со свежеотсыпанным щебнем под, шпалы, что сокращает цикл нормальной работы балластного слоя. После дозировки балласта (рис. 1.12, в) машина ВПО обеспечивает уплотнение балласта плеча и откоса балластной призмы (рис. 1.12, г).
Машины циклического действия типа ВПР производят «локальное» уплотнение балласта под шпалами в зоне рельсов (рис. 1.12, )). Уплотнение в шпальных ящиках не выполняется.
Модель оценки уплотнённого состояния балластного слоя под шпалами с сегрегацией зон уплотнения
Технологиями уплотнения балластной призмы с использованием машин предусмотрено локальное воздействие через уплотнительную поверхность рабочего органа на определенную зону призмы. В результате происходит уплотнение балластного материала в этой зоне с образованием так называемого ядра уплотнения. Наблюдается сегрегация зон балластного материала с разной степенью уплотнения. После повторного- силового воздействия рабочим органом машины или эксплуатационной нагрузкой от поездов картина распределения указанных зон изменяется.
Рабочий орган вибрационного типа возбуждает колебательные процессы в объеме слоя. В зоне непосредственного воздействия происходит интенсивная перестройка текстуры щебня, а в удаленных зонах наблюдаются упругие и неупругие перемещения с затуханием. Границы между зонами размыты. Поэтому можно говорить о двух взаимосвязанных процессах: с одной стороны происходит сегрегация зон уплотненного состояния балласта, а с другой стороны - диффузия уплотнения по объему призмы. Рассмотрим эти два взаимосвязанных процесса на математической модели (рис. 2.2).
При использовании модели с полной диффузией в результате воздействия силой Р на объем балласта Ун размером вдоль направления силового воздействия Р достигаемая относительная осадка уплотнения (рис.2.2, а): В этом процессе можно считать, что формоизменение происходит в начальном объеме, равном Ун = Уп + АV, характеризуемом начальным значением относительной осадки уплотнения Ен. Тогда формулу (2.1) можно записать в виде: После преобразований получим выражение для определения ядра предельно уплотненного балласта: Если принять площадь вибрирующей поверхности и площадь балласта единичной, то получаются формулы, связывающие ее перемещение и перемещение условной границы ядра вглубь балластного слоя: где 5ц и 8П — перемещение балласта до и после рассматриваемого силового воздействия, м; — смещение вибрирующей поверхности, м. Гетерогенная (сегрегационная) модель в значительной степени соответствует активным смещениям частиц под действием вибрирующей и подаваемой вдоль прямолинейного направления поверхности рабочего органа машины. Пассивные смещения частиц, рассматриваемые в работах Ю.П. Сырейщикова [35] и др., происходящие-под действием веса, упругой отдачи и упругой деформации в массиве балластной призмы при отрывной работе уплотнительной поверхности приводят к диффузионным процессам распределения степени уплотнения балласта, к «размыванию» границ ядра уплотнения. Развиваемые в настоящем исследовании теоретические модели технологического процесса уплотнения балластной призмы предусматривают как оценку факторов силового взаимодействия уплотняющих поверхностей и объема балластного материала в призме, так и предварительную оценку Основной результат работы машины или комплекса машин по уплотнению балластного слоя железнодорожного пути заключается1 в достижении его стабильного состояния. Стабильное или стабилизированное состояние балластного слоя обеспечивает минимальное и равномерное накопление остаточных осадок путевой решетки, при воздействии поездной нагрузки, в продольном профиле, в плане и по уровню.
В соответствии с физической природой балластного материала, как сыпучей среды, если он имеет предельное уплотненное состояние, при котором его текстура наиболее упорядочена и количество контактов между частицами наибольшее, то объем, такого материала максимально сопротивляется силовому воздействию. Стабильному состоянию балластного слоя соответствует достижение высокой степени уплотнения, составляющего его объема балластного материала.
Технологический процесс уплотнения объема балластного слоя связан с перераспределением под действием силовых факторов, (рабочих органов или поездной нагрузки) объемов балласта внутри слоя с образованиемлокальных- зон повышенной (уплотнение) и пониженной (разуплотнение) концентрации частиц. Балласт, как сыпучая среда, проявляет свои реологические свойства. Картина такого распределения обусловлена конструктивными особенностями рабочего органа и выбранными режимами взаимодействия. При повторном силовом воздействии рабочим органом, что имеет место при работе машинных комплексов, происходит повторное изменение картины распределение концентрации материала в слое.
Для замкнутой системы, в которой нет притока или оттока балластного материала, т.е. объем, занимаемый частицами (объем скелета) не изменяется, степень уплотнения по относительной осадке определяют по формуле (1.11).
Можно также показать, что в случае, если образование уплотненного массива происходит вследствие формоизменения двух составляющих массивов, характеризуемых объемами и относительными осадками, то его относительная осадка:В этой формуле индексы Н1, Н2, НЗ при переменных обозначают, что показатель относится к первому, второму и третьему объемам до уплотнения.
Когда уплотненный массив балласта формируется из трех и большего количества исходных массивов рекомендуется использовать расчетную схему с последовательным вычислением фиктивных промежуточных относительных осадок конечного объема, попарно его «сливая» со всеми составляющими объемами.
Модель (1.11), при определении дополнительных условий, применима, например, для оценки уплотняющего эффекта при однократном обжиме балластного слоя лопатками подбоек машин типа ВПР. Но для расчета уплотняющего эффекта основных виброплит машин типа ВПО, имеющих основной и дополнительный уплотнительные клинья, возникает необходимость использовать дополнительно модель (4.1). Для оценки работы комплекса машин с уплотнительными рабочими органами, последовательно обрабатывающими балластную призму, необходимо производить многошаговые вычисления.
При ориентировочной оценке осадок балластного слоя при силовом воздействии на него во многих расчетных моделях принимается во внимание только слой балласта, находящийся непосредственно под подошвами шпал. В этом случае, при расчёте на единичной длине массива пути (на длине виброплиты) и постоянной ширине массива (на длине шпалы), в приведённых выше формулах, например (2.1), объемы могут быть заменены эквивалентными линейными расстояниями вдоль вертикальной оси (толщины слоя, выправочные подъемки, осадки и т.д.). Это дает основание анализировать в первом приближении схему состояний массива балластного слоя при комплексном силовом воздействии на него (рис.4.3). Состояния балластного слоя привязаны как к фактическим положениям путевой решетки, так и к фиктивным. .4. XЕд3 — относительная осадка уплотнения после прохода динамического стабилизатора пути;Еэ — относительная осадка уплотнения в результате эксплуатации балластного слоя при воздействии нагрузки от поездов.
Ни, НВ1, НВ2, Ндз, Нэ — толщина балластного слоя после рассматриваемых воздействий (индексы соответствуют индексам при относительных осадках); квпо, НВпр — выправочные подъемки пути машинами ВПО и ВПР; кдсп, / э - осадки путевой решетки после работы ДСП и при эксплуатации; Е0 — относительная осадка уплотнения балластного слоя., в гипотетическом, предельно рыхлом состоянии. Этому состоянию соответствуют разные гипотетические толщины слоя, т.к. при работе ВПМ в зону под шпалами подаются дополнительные объемы балластного материала, либо со стороны торцов (ВПО), либо из шпальных ящиков (ВПР).
После производства всех выправочно-подбивочных работ гипотетическая толщина слоя достигает максимального значения Н0. При осадке путевой решетки в рассматриваемой задаче она не изменяется.
Относительные и абсолютные осадки такого балластного слоя могут вычисляться с учетом изложенного подхода. Формоизменение нескольких массивов балласта с образованием общего результирующего массива применительно к конкретному рабочему органу или комплексу рабочих органов является нетривиальной задачей. Она требует учета многих факторов: параметров балластного слоя, путевой решетки, рабочих органовмашин, поступающих и вытесняемых из рабочей зоны объемов материала,дополнительную дозировку балласта с подведением под шпалы и др:
При накоплении динамических осадок (работа динамического стабилизатора или поездная нагрузка) задача накопления относительных осадок аддитивна, т.к. исходная гипотетическая толщина слоя Н0 постоянна. Происходит формоизменение одного и того же массива балласта под шпалами, поэтому, при принятых допущениях, достаточно использовать формулу (1.11).
Более глубокое понимание сущности процесса уплотнения, происходящих при комплексном силовом воздействии на массив балластного слоя позволит рационально назначать параметры рабочих органов машин и находить новые технические решения схем силового воздействия на балласт с целью получения его стабильного состояния и прогнозируемого поведения при воздействии нагрузки от движущихся поездов.
эффекта уплотнения через несущую способность балластной призмы. Рассматриваются объемы балласта, составляющие призму до и после ее уплотнения, которые имеют границы: элементы рабочего органа, поверхности шпал путевой решетки, нижнее строение пути, прилегающие слои балласта или воздух. В последнем случае смещения балластного материала не ограничиваются. В рассматриваемой зоне принимается, что уплотненный объем балласта имеет равномерное распределение показателей уплотнения. В теоретических рассуждениях (см. рис. 2.2), если принять одинаковые размеры объема балласта и одинаковые смещения А V уплотнительных поверхностей, степень обжатия объема балласта получается одинаковой для случаев а и б. Попытаемся ответить на вопрос: в какой степени несущая способность балластной призмы при одинаковой степени ее обжима зависит от сегрегации степени уплотнения составляющих ее объемов? Иначе говоря, насколько эквивалентны по несущей способности два рассмотренных случая? В рассуждениях воспользуемся результатами экспериментальных исследований несущей сцособности объема щебеночного балласта А.П. Леманским [36].
В этой работе были проведены исследования уплотнения объема щебеночного балласта вибрирующей плитой с варьированием времени вибрационного воздействия в пределах .10 - 360 с. После каждого опыта определялась пористость. В экспериментах значение пористости исследовано в диапазоне 42 — 37%. В конце каждого опыта определялся модуль деформации Е, МПа. Значение измеренного модуля деформации получилось в пределах 10-132 МПа.
Если задаться приведенным в статье [7] значением коэффициента пористости в предельно рыхлом состоянии 80 = 0,724 - 0,718 (в среднем Бо = 0,770) и в предельно уплотненном состоянии вп = 0,563 — 0,587 (в среднем вп = 0,575), то приведенные экспериментальные значения коэффициента пористости можно преобразовать в значения относительной осадки уплотнения по формуле: где Пу - пористость рассматриваемого уплотненного объема щебня.
Это дает возможность строить графики зависимостей модуля деформации Ед от относительной осадки уплотнения для объемов с равномерно распределенным показателем уплотнения. Для модели с сегрегацией зон уплотнения, в первом приближении, общий модуль деформации предлагается оценивать, как усреднено взвешенный по двум объемам (рис. 2.2, б): где Ету, Ет - модули деформации для условно неуплотненного и уплотненного объемов (в общем случае уплотненный объем может иметь и не предельно уплотненное состояние), МПа; Ущ,, п — соответствующие о неуплотненный и уплотненный объемы балласта, м . С учетом исследованного А.П. Леманским диапазона уплотненных состояний объема балласта произведена по расчетной программе в среде «Delphi-7» оценка степени приближения модулей упругости для моделей с полной диффузией и сегрегацией зон с разной степенью уплотнения (рис. Неуплотненный объем балласта. мЗ: В Модуль деформации при полной диффузии. МПа: Модуль деформации в ядре уплотнения. МПа: Модуль деформации в неуплотненной зоне. МПа л- ЩВШЯ Эквив. модуль деформ. по двум оъемам. МПа: . -"V ЦЯЦЯ Разность модулей деф. при диффузии и сегрегации. МПа: ЦЗДЯ Относительная разность указанных модулей деф. %: Предельная относительная осадка уплотнения: Начальная относительная осадка диапазона: Конечная относительная осадка диапазона: Ц З Модуль деформации и относительная осадка уплотнения в интервале опьггныж данных Е [0.167 0.180 0.194 0.196 0.197 0.199 0.200 0.206 Ед.МПа ИОД 14.0 18.0 33.0 48.0 ;66.0 83.0 106.0 132.0 РАСЧЕТ Рис. 2.3. Окно программы для оценки модулей деформации при полной диффузии и сегрегации показателей уплотнения По результатам анализа можно сделать предварительный вывод о том, что эквивалентный модуль деформации, определяемый путем суммирования модулей деформации с учетом соотношения объемов уплотненной и неуплотненной зон и модуль деформации, полученный расчетом по модели с полной диффузией относительной осадки уплотнения по объему, отличаются. У
Разработка методики определения степени уплотнения балласта с использованием прибора УВП-ДИИТ
Методика определения степени уплотнения балластного слоя после работы основных виброплит машины ВПО-ЗОООМ с использованием ударно- волнового плотномера УВП-ДИИТ разработана на основании «Единой методики экспериментальных исследований по оценке и определению степени и равномерности уплотнения щебёночного балласта [49, 50] . Методика включает в себя следующие требования: Участки пути для исследований должны отвечать установленным требованиям к верхнему строению пути и земляного полотна. Земляное полотно и песчаная подушка должны быть спланированы и уплотнены. Не допускается выбор участков на свежеотсыпанном, нестабилизированном земляном полотне. Опыты по определению степени уплотнения балласта рекомендуется проводить в летнее время года при влажности песчаной подушки и земляного полотна, исключающей их разжижение и потери устойчивости [49]. Используется сейсмический метод. Для определения плотности щебня берётся ударно-волновой плотномер УВП-ДИИТ [48]. Основные технические параметры прибора: 1. Ёмкость счётчика импульсов — 9999. 2. Частота генератора импульсов — 1 = 5 кГц и = 50 кГц. 3. Диапазон измеряемых интервалов времени -11 = 0 — 2си1г=0 — 0,2 с. 4. Время следования одного импульса от генератора — Т1 = 200 мкс и Тг = 20 мкс. 5. Точность измерения времени — ± 0,2 10"6 с. 6. Расстояние между точкой возбуждения ударной волны и датчиком — 0,5 — Юм. 7. Точность определения плотности грунтов - ± 0,02 г/см3. Блок-схема плотномера УВП-ДИИТ представлена на рис. 3.2. 7 Индикация 5 5 / 2 2 3.2.3. Формулы для расчёта Зная время следования одного импульса Т от генератора и число импульсов N , зафиксированное прибором, можно определить время следования упругой волны t по формуле: , (3.5) где Л"— число импульсов, Т— время следования одного импульса, с. Скорость следования упругой волны Vопределяется по формуле: у=ьа, (з.б) где Ь - расстояние между сейсмоприёмниками, м. Зная скорость прохождения упругой волны V, по графику рис. 3.3 определяют объёмную плотность балласта р. Рис. 3.3. Тарировочный график для определения плотности балласта Степень плотности по относительной осадке Е определяется по формуле: Еуш. = [1- К р о/((Уупл. -Го) + к Ро) у, (3.7) где к = 0,75 коэффициент пропорциональности, р0 =1,384 т/м3 — объёмно- насыпной вес щебня, Уо = 85 м/с — скорость распространения упругой волны в предельно рыхлом слое щебня. Объёмная плотность уплотнённого балласта р определяется по формуле:
Измерения для оценки распределения плотности балласта по длине шпалы производится по схеме рис. 3.4. Датчики-сейсмографы в шпальных ящиках устанавливаются в 5 характерных точках. Одна точка замера находится на оси пути, две внутри колеи у рельсовых нитей на расстоянии Ь2 = Ь4 = 610 мм от оси пути и две снаружи колеи на расстоянии Ь] = Ь3 = 910 мм от оси пути. Измерения для оценки плотности балласта в плоскости, поперечной оси пути, производится по схеме рис. 3.5. Датчики-сейсмографы устанавливаются у торцов шпал (Ь= 2,75 м) через каждые 2,5 м (5 шпал). Для получения результатов с надёжностью р 0,95 требуется провести по каждой точке не менее пяти измерений и подсчитать среднее арифметическое значение числа импульсов. Измерения проводятся бригадой из двух человек. Полученные данные заносятся в журнал наблюдений. направление измерений Рис. 3.4. Схема измерений в продольной плоскости; 1 — первый датчик сейсмограф; 2 — второй датчик-сейсмограф; Ь — расстояние между датчиками-сейсмографами; Ь1, Ь2, ЪЗ, Ь4 — расстояние от оси пути до Рис. 3.5. Схема измерений в плоскости, поперечной оси пути; 1 — первый датчик-сейсмограф; 2 — второй датчик-сейсмограф; Ь=2,75 —расстояние между датчиками-сейсмографами; Ы —расстояние между точками измерений 3.2.5. Обработка данных эксперимента На основании полученных результатов измерений строятся графики эпюры степени плотности по относительной осадке, а также графики изменения плотности, пористости и коэффициента пористости по длине шпалы. В качестве показателей равномерности уплотнения балласта используем среднеквадратические отклонения от средних значений плотности перечисленных выше показателей степени уплотнения и коэффициентов уплотнения. Среднеквадратическое отклонение определяется по формуле: (3.11) где 7 - показатель равномерности уплотнения; хг- — текущее значение принятого показателя степени уплотнения; х — среднее значение принятого показателя степени уплотнения из ш числа наблюдений. Доверительный интервал по критерию Стьюдента определяется для показателей степени уплотнения с надёжностью р = 0,95 в 5 характерных точках сечения балластной призмы (рис 3.4) по формуле: (3.12) где ХсР. — среднее значение генеральной совокупности; tp = 2,78 — коэффициент границы доверительного интервала. 3.3. Экспериментальные исследования работы виброплит машины ВПО-ЗОООМ и обработка результатов Экспериментальные исследования проводились на Тайшетской дистанции пути (ПЧ-1) Восточно-Сибирской железной дороге. Опытный образец модернизированной выправочно-подбивочно-отделочной машины ВПО-ЗОООМ № 485 ПМС-67 В-Сиб. ж.д. ст. Тайшет выполнил работы по выправке пути и уплотнению балласта 28.09,04 г. на фронте среднего ремонта пути после очистки щебня у торцов шпал машиной УМ, работы кюветоочистительной машины СЗП-600, электробалластёра ЭЛБ-ЗМ и хоппер-дозаторной вертушки. Начало участка работ показано на рис.3.6. 1. Характеристика пути: Перегон Бирюсинск - Тайшет, 4514 км, 2 пикет, путь II главный, путь — звеньевой, рельсы Р65, шпалы деревянные, эпюра шпал 2000 шпал на 1 км, вид скрепления - костыльный, радиус кривой И. = 1020 м. Толщина балластной призмы - 35 см, плечо призмы - 35 см. Рис. 3.6. Начало участка работ 2. Характеристика балластного слоя: Производитель: Ангасольский щебёночный завод, по ГОСТ 7392-02 интрузивные породы «1400-2500», і Объёмно-насыпной вес щебня 1,384 т/м .
Гранулометрический состав - щебень фракции 25-60мм (рис.3.7). Зерновой состав в % по массе: - более верхнего номинального размера - 5%; менее нижнего номинального размера - 1,46%; полный остаток на сите 40 мм - 59,9%; - содержание плоских зёрен - 6,3%. Рис. 3.7. Слой щебня фракции 25-60 после выгрузки из хоппер-дозаторов 3. Рабочие параметры модернизированной машины ВПО-ЗОООМ (рис. 3.8): Средняя рабочая скорость 1 км/час, Выправочная подъёмка пути 30 мм. - Конфигурация уплотнительных рабочих органов (рис. 3.9, 3.10, 3.11): - Горизонтальное возмущающее усилие виброплит составляет 25 т; - Частота колебаний 35 Гц; - Мощность привода 55 кВт, пусковой ток 1=500 А, напряжение и=380 В; - Величина заглубления (расстояние от подошвы шпал до нижней кромки корпуса виброплиты), максимальная 300 мм; - Высота рабочей плоскости основного клина 250 мм; - Длина виброплиты 4100 мм. Рис, 3.8, Общий вид машины ВПО-ЗОООМ№ 4 Измерения степени уплотнения балластной призмы производились ударно-волновым плотномером УВП-ДИИТ (Рис. 3.12),
