Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ отечественных и зарубежных исследований 4
Выводы по главе 1 31
2. Постановка задачи и цели исследования . 32
2.1 Влияние модуля упругости подрельсового основания на основные показатели напряженно-деформированного состояния пути. 33
2.1.1. Определение показателей напряженно-деформированного состояния пути по существующей методике 33
2.1.2. Учет изменения массы и демпфирующих свойств пути 41
2.2 Технические средства для определения модуля упругости подрельсового основания . 49
Выводы по главе 2 58
3. Результаты теоретической оценки показателей взаимодействия подвижного состава и пути с различным модулем упругости подрельсового основания , 60
Выводы по главе 3 77
4. Экспериментальные исследования модуля упругости подрельсового основания. 78
4.1 Методика подготовки и тарировки измерительных трактов . 78
4.2 Результаты инструментальных обследований по определению модуля упругости подрельсового основания на полигоне Воркута-Череповец и Москва-Находка. 84
4.2.1 Характеристика полигона Москва-Находка. 84
4.2.2 Анализ результатов измерений модуля упругости подрельсового основания. 84
Выводы по главе 4 90
5. Методика оценки допускаемых скоростей движения на участках с различными модулями упругости подрельсового основания . 91
Выводы по главе 5 103
Выводы 104
Список использованных источников
- Определение показателей напряженно-деформированного состояния пути по существующей методике
- Технические средства для определения модуля упругости подрельсового основания
- Методика подготовки и тарировки измерительных трактов
- Анализ результатов измерений модуля упругости подрельсового основания.
Введение к работе
Освоение постоянно растущих объемов перевозок за счет повышения погонных и осевых нагрузок отражает мировые тенденции развития железнодорожного транспорта. В России резервы повышения осевых и погонных нагрузок, заложенные в габаритах приближения строений и несущей способности искусственных сооружениях используются далеко не полностью.
Начиная с середины XIX - начала XX веков ученые исследуют проблему определения величины нагрузки, передаваемой от подвижного состава на путь. К этому времени относится и разработка первых математических моделей взаимодействия экипажа и пути (модель рельса как балки на сплошном упругом основании и модель рельса как балки на многих упругих опорах), и проведение первых экспериментальных исследований. Существует два основных направления развития методов расчета пути на прочность.
Рельс рассматривается либо как балка на упругих точечных опорах, либо как балка на сплошном упругом основании. Оба эти направления развивались параллельно и одновременно.
Еще в 1867 году Е. Winkler опубликовал свою модель балки на сплошном упругом основании [138].
В это же время возникли и первые средства диагностики пути. Исследованиям в области расчетов железнодорожного пути было посвящено большое количество разработок русских ученых в начале 20-го века.
В работе профессора Крачковского В.П. [46] расчет пути производился в два этапа.
На первом этапе определялись статические напряжения или давления. На втором этапе путем перемножения статических напряжений или давлений на так называемый динамический коэффициент получались динамические напряжения или давления, по величине которых сопоставляя их с допустимыми значениями судили о допускаемой скорости движения.
Определение показателей напряженно-деформированного состояния пути по существующей методике
Для того, чтобы выявить характер влияния модуля упругости подрельсового основания на параметры напряженно-деформированного состояния пути применим существующую схему расчета пути.
Расчетные формулы для определения нагрузок на путь и напряжений в элементах конструкции верхнего строения пути основаны на рассмотрении изгиба рельсов в вертикальной плоскости как балки бесконечно большой длины, лежащей на сплошном упругом основании.
Применим для определения динамической нагрузки от колеса на рельс методику разработанную Г.Г. Желниным [66], выделяя влияние на полученный результат модуля упругости подрельсового основания. Эта методика базируется на «Правилах производства расчетов пути на прочность», редакции 1954г.
Динамическая максимальная нагрузка колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения может быть определена несколькими способами: по известным экспериментальным значениям Кд - коэффициента динамических добавок от вертикальных колебаний надрессорного строения (называемого также коэффициентом вертикальной динамики экипажа); при отсутствии экспериментальных данных значения Кд определяются по скорости движения (V км/ч) и статическому прогибу рее сорного подвешивания (/ , мм); с использование эмпирической зависимости динамических прогибов рессорного подвешивания (Zmax, мм) в зависимости от скорости движения и приведенной к колесу жесткости рессорного подвешивания (ж, кг/мм).
Среднее каадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс S,m от сил инерции необрессоренных масс Рта „п, возникающих при проходе изолированной неровности пути определяются как Sm =0,565 0-4/ . . . (2.1) где а{ - коэффициент, учитывающий соотношение коэффициентов ао для пути с железобетонными и деревянными шпалами; Р - коэффициент, учитывающий влияние типа рельсов на возникновение динамической неровности; с - коэффициент, учитывающий влияние материала и конструкции шпалы на образование динамической неровности пути; у — коэффициент, учитывающий влияние рода балласта на образование динамической неровности пути; /ш- расстояние между осями шпал, см; U модуль упругости подрельсового основания, кг/см2; к - коэффициент относительной жесткости подрельсового основания и рельса, см"1; q - отнесенный к колесу вес иеподрессоренных частей. Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс S„ltK от сил инерции необрессоренной массы Р ,,, при движении колеса с плавной непрерывной неровностью на поверхности катания определяется как „,„ = 0,225/ \ кг (2.2) PT fUVir\ .кг (2,3) где ао - коэффициент, характеризующий отношение необрессоренной массы колеса и участвующий во взаимодействии массы пути; Ki - коэффициент, характеризующий степень неравномерности образования проката поверхности катания колес; d - диаметр колеса, см. Среднее квадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс SmtK от сил инерции необрессоренной массы Pmaxmw возникающих из-за наличия на поверхности катания плавных изолированных неровностей определяется по формуле -=0,25Р\ кг (2.4) СГ=«оЛ« .кг (2.5) Из формул (2.1-2,5) видим что появилось влияние модуля подрельсового основания. где Утк - наибольший дополнительный прогиб рельса при вынужденных колебаниях катящегося по ровному рельсу колеса с изолированной неровностью по поверхности катания колес, см. Таким образом, модуль упругости подрельсового основания оказывает нелинейное влияние на оценку среднего квадратического отклонения вертикальных сил, действующих от подвижного состава на рельс \"ия ) "инк "urn.-/ Для оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения пути определяются следующие показатели:
Как видно из формул (2.6 -2Л 4) влияние модуля упругости под-рельсового основания учитывается как при оценке эквивалентных нагрузок (через характеристики линии влияния) (2.15-2.16), так и при непосредственном расчете напряжений.
На рисунках 2.1-2.4 приведены зависимости вертикальной силы, осевого напряжения на основной площадке земляного полотна, прогиба рельса и напряжения в балласте от модуля упругости при пропуске грузового полувагона с нагрузкой 23 т на ось со скоростью 60 км/ч по пути с рельсами Р65, деревянными шпалами и щебеночным балластом толщиной 55см.
Анализ результатов показывает, что с увеличением жесткости пути растут вертикальные нагрузки и напряжения в балласте одновременно снижаются прогибы рельса и напряжения в подошве рельсов от изгиба.
Технические средства для определения модуля упругости подрельсового основания
Оптический измеритель был создан на основе прототипа системы оптических бесконтактных измерений между неподвижными частями кузова вагона и верхним строением пути, разработанной НПО «Импульс». Датчик смещения предназначен для оптико-электронного преобразования информации о расстоянии между двумя источниками отраженного света в два электрических импульса, расстояние во времени между этими импульсами прямо пропорционально измеряемому расстоянию. В составе его электрической схемы можно выделить следующие основные узлы: - формирователь тактового сигнала для фотоприемного устройства (ФПУ); - фотоприемное устройство; - преобразователь выходного сигнала; - блок питания.
Основой схемы является многоэлементное ФПУ с внутренней коммутацией, предназначенное для преобразования оптических изображений в видеосигнал. В его состав входят 1024 фотоприемные ячейки, подключенные к последовательным выходам двух сдвиговых регистров, регистра считывания и регистра стирания. Для организации нормальной работы ФПУ на тактовый вход этих регистров необходимо подать тактовую частоту, а на входы данных периодически загружать логическую «1», причем в регистр считывания ее необходимо загружать на такт раньше, чем в регистр стирания. Продвигаясь с каждым тактом в сдвиговых регистрах, логические «1» управляя внутренними ключами ФПУ, сначала подключают к выходу микросхемы ФПУ выход каждой ячейки, а в следующем такте очищают ее. Таким образом, на выходе ФПУ получается видеосигнал, амплитуда которого в каждый момент времени пропорциональна освещенности соответствующей фотоприемной ячейки. Для выработки управляющих ФПУ тактовых сигналов предназначен формирователь.
Через фильтрующую высокочастотные помехи цепочку видеосигнал попадает на линейный не инвертирующий усилитель.-Переменным резистором можно изменить уровень постоянной составляющей выходного сигнала.
В схему, разработанную НПО «Импульс», с участием автора внесены следующие изменения: - на плате оптического устройства установлены два стабилизатора напряжения na + 12V H-12V. - для регулировки частоты тактового генератора постоянный резистор заменен на переменный резистор номиналом 100 кОм. - для получения в выходном сигнале импульса, соответствующего началу считывания, на инвертирующий вход усилителя, через формирующую цепочку, подается импульс начала развертки.
В результате измерений через каждые 30 см по длине мы имеем ос-редненное по четырем осям полувагона значение разности осадок для всех двух полувагонов.
Принципиальной особенностью нагрузочного устройства ВНИЖТ является то, что в качестве нагрузки используется типовой грузовой полувагон на тележках модели 18-100 при скоростях 40-60 км/ч. Эта особенность позволяет учитывать динамические параметры пути и подвижного состава (масса и демпфирование) на исследуемые процессы, т.е. определение параметров системы проводится в режиме, близком к рабочему.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2
1. Диапазон изменения динамических характеристик пути, затабули-рованный в настоящее время в различных методиках и программах для основных конструкций пути, не позволяет учитывать реальное состояние в конкретном месте, что не дает возможность правильно определять скорость движения в зависимости от состояния пути.
2. В анализе технических средств для определения модуля упругости подрельсового основания, как на стоянке, так и на ходу поезда в разработке технологии работ автор принимал непосредственное участие . Показаны преимущества определения модуля упругости подрельсового основания в движении. Такая система позволяет учитывать динамические параметры пути и подвижного состава (масса и демпфирование) на исследуемые процессы, т.е. определение параметров системы, проводится в режиме, близком к эксплуатационному.
3. Автором обоснована необходимость учета реальных характеристик на основе проведения инструментальных обследований участков пути, на которых требуется определение показателей напряженно-деформированного состояния пути, так как применение в этих случаях табличных значений приводит к большим (часто недопустимым) погрешностям.
При установлении допустимых условий обращения подвижного состава по реальному эксплуатационному участку необходимо использовать математическое моделирование. Иа вход математической модели должны подаваться исходные данные, определенные на анализируемом участке. В настоящее время в качестве таких оценок задаются табулированные значения параметров, полученные путем обобщения экспериментальных данных для различных конструкций верхнего строения пути. При этом влияние на рассматриваемый параметр реального состояния рельсовых скреплений, шпал, балластного слоя и земляного полотна не учитывается. В то же время влияние это может быть весьма существенным.
Установление допускаемых условий обращения с учетом реального модуля упругости подрельсового основания требует проведения классификации пути по величине модуля.
Такая классификация существует в США и в работах I. Eisenmanna [118-120] в зависимости от мощности рельса и модуля упругости подрельсового основания и рассматривалась в работе Кузнецова В.В. [49] - слабый путь q 50 кг/м и 1К14МПа; - путь средней прочности 50 Kr/M q 60 кг/м и 14МПа и 28МПа; - прочный путь q 60 кг/м и U 28 МПа. Однако, такая классификация, считающая путь более прочным с увеличением модуля упругости подрельсового основания, справедлива только в том случае, если не изменяется конструкция верхнего строения пути.
Методика подготовки и тарировки измерительных трактов
Перед проведением обследования подрельсового основания производится монтаж измерительного оборудования в вагоне-лаборатории и грузовых полувагонах, нагруженных до заданной осевой нагрузки. После монтажа проводятся тарировки установленных на диагностический поезд приборов. Тарировки прогибомеров производятся путем трехкратного измерения напряжения, поступающего от каждого из приборов при вытягивании поводка прогибомера на 25, 50, 75 и 100 мм. Измеряемое напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя компьютера. По полученным данным проверяется линейная зависимость напряжения от смещения и определяется величина переходного коэффициента от входного аналогового сигнала, поступающего на вход комплекса к физической величине прогиба. Нули прогибомеров определены как средние значения их показаний при движении в прямом участке пути. Тарировки оптических измерителей производятся измерениями реальных величин зазоров между отражателем и рельсом и сопоставлением этих величин с величинами, полученными после программной обработки видеосигналов каждой камеры. Тарировка датчика пройденного расстояния (тахогенератора) проводится во время поездки подсчетом импульсов, поступающих от тахогенератора при проходе 1 км пути (на величину этого показателя существенное влияние оказывает диаметр круга катания колеса, на котором установлен тахогенератор). Тарировка системы измерений в целом производится проверкой соответствия данных, полученных оптической системой, и данных, полученными геодезическими измерениями осадок пути под нагрузкой с учетом их трехкратного поаторения.
С целью определения работоспособности установленного оборудования и проверки данных, полученных в результате измерений величин геодезическими методами, производятся опытные поездки (проводятся по четыре заезда со скоростями 40, 60 и 80 км/ч). Результаты, полученные в поездках, сопоставляются между собой по аналогии с результатами, полученными при испытаниях диагностического поезда. Для примера на рисунке 4.1 приведены величины осадок, полученные при измерениях на участке для четырех заездов в одном направлении для участке длиной один километр на полигоне Белореченская - Майкоп.
По результатам сопоставления результатов отдельных поездок по участку производится оценка измеренных величин осадок в разных поездках. На рисунке 4.2 приведены отклонения величин осадок, измеренных в каждой из четырех поездок, от средней величины осадки основания, просчитанной по четырем поездкам, при испытаниях диагностического поезда. Максимальные значения отклонений составили ± 0.5мм. 1.000 0.800 0.600 0.400 s 5; 0.200 I 0.000 -0.200 І -0.400 -0.600 -0.800 -1.000 I , л it іШк ькл МіккікиІш іША і і і 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 координата, м Рис. 4.2 Отклонения от среднего значения осадки в четырех поездках
Проверка точности результатов измерений оптической системой производится с помощью нивелировки пути под вагонами с различной осевой нагрузкой и нивелировкой пути при отсутствии на нем вагонов. Измерения производятся в пяти сечениях - под каждым колесом вагона и середине вагона. Сравнение результатов измерений нивелировкой и оптической системой показывают величину погрешности измерений оптической системой
Сравнение величин осадок, полученных оптической системой и нивелировкой показывает, что разность указанных величин, рассчитанных для вагонов с нагрузкой 10 и 25 т на ось, составляет 0,4 мм. Для получения достоверных данных при определении модуля упругости подрельсового основания следует обозначить области применения метода измерения величины упругой осадки под грузовым вагоном.
Для проведения исследования необходимо чтобы реперная точка оставалась неподвижной при передаче нагрузки от вагона (рис. 43).
Критерием оценки будет служить вертикальные смещения реперной точки. Эта величина не должна превышать точности измерений (1мм). С этой целью проведем следующие расчеты. Упругую осадку реперной точки, определим по формуле У - -ЬгЫ-Ъ+ъЫ Рг) (4-І) где РіРг - вертикальная сила передаваемая от колеса на рельс от і-го колеса к - коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса. /- модуль упругости подрельсового основания. 7ь72 -линия влияния прогибов рельсов Хі = 3400 мм 1 Расстояния от реперной точки до точки прило-Х2 — 5250 мм J жения нагрузки і-го колеса Коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса рассчитывается по формуле k = i V 47 (4-2) где Е - модуль упругости рельсовой стали, Е= 2,1-10 МПа / - момент инерции рельса относительно его центральной горизонтальной оси, см4. Линия влияния прогибов рассчитывается по формуле (2.15) Суммарная упругая осадка реперной точки рассчитывается по форму ле (4.3) У = 2 , т.к. учитывается влияние второй тележки вагона. На рисунке 4.4 показан график зависимости суммарной упругой осадки реперной точки от модуля упругости подрельсового основания. Из графика видно, что при и ЗМПа упругая осадка реперной точки меньше 1 мм (точности измерений системы).
Анализ результатов измерений модуля упругости подрельсового основания.
Настоящая методика разработана с целью установления допустимых скоростей движения на участках в зависимости от модуля упругости под-рельсового основания. Модуль упругости подрельсового основания определяется с помощью нагрузочного устройства ВНИИЖТ в составе диагностического поезда. Скорость движения диагностического поезда устанавливается не выше 60 км/ч. Измерения проводятся через каждые 30 см по длине пути. Перед проведением экспериментальных исследований проводится наладка и тарировка измерительного комплекса (см. п.4.1). При прохождении диагностического поезда по заданному участку измеряется упругая осадка подрельсового основания. Определяется среднее значение разности осадок под всеми вагонными колесами первого и второго вагона, соответственно с осевой нагрузкой 10 и 25 т. Уср = Уср25 — Уср!0 (5.1) Пройденный путь оценивается датчиком определения расстояния, установленном на вагоне-лаборатории.
По действующим правилам расчета ж,д. пути на прочность [66] производится расчет упругой осадки под вагонами с нагрузкой 25 т/ось и 10 т/ось и определяется среднее значение разностей осадок колес вагонов при различных модулях (рис.5.1) 5 S ID ЛІ М +Э 50 ЄО ЇО Єй М 100 110 120 00 143 ISO 1 Э ІГО 1 0 1«0 гоо
Зависимость упругой осадки от модуля упругости подрельсово-го основания
Зная экспериментальное значение средней разности осадок под колесами вагонов, полученное при работе диагностического поезда с помощью графика на рис.4.1, определяется соответствующее значение модуля упругости подрельсового основания, для пути с рельсами Р65 на железобетонных шпалах с эпюрой 1840 шт/км. Аналогичные зависимости могут быть получены для других конструкций пути.
На основании полученных значений модуля упругости подрельсового основания, для каждого типа вагонов проводится расчет параметров взаимодействия экипажа и пути (кромочных напряжений в подошве рельса, напряжение в балласте и на основной площадке земляного полотна). При этом используются действующие правила расчета железнодорожного пути на прочность [66]
Полученные параметры сопоставляются с допустимыми значениями, приведенными в типовой методике испытаний по воздействию на путь: - напряжения в кромке подошвы рельса не должны превышать 240 МПа. При этом переход от осевых напряжений к кромочным производится с учетом коэффициента f, который для кривых радиусом 500-600 м составляет 1,4 (для вагонов на тележках модели 18-100), а для кривых радиусом до 350 м, характерных для наиболее сложных участков исследуемого направления, коэффициент f = 1,55; - напряжения на основной площадке земляного полотна не должны превышать 80 КПа. - напряжения в балласте под шпалой при нормальной эксплуатации не должно превышать 260 КПа;
Результаты оценки указанных параметров приведены для полувагонов с Рос = 25 т нарис. 5.2-5.5, а для полувагонов с Рос - ЗО т нарис. 5.6-5.9 На рис.5.5 приведен сводный график допустимых значений упругой осадки рельсов для четырехосного вагона с Рос=25 т. На этом графике определены допустимые по всем исследованным критериям значения упругой осадки в зависимости от скорости движения. Верхняя граница допустимого диапазона определяется ограничениями по кромочным напряжениям в подошве рельса, а нижняя - по одному лимитирующему критерию из двух (напряжения в балласте и на основной площадке земляного полотна). Расчеты проведены для верхнего строения пути с рельсами типа Р65 на деревянных шпалах с костыльным скреплением на асбестовом балласте с толщиной 55см. Износ рельса отсутствует. Эпюра шпал составляет 1840 шт/км. Следует иметь в виду и ограничение, приведенное на рис.3 Л. Это требующее уточнения ограничение по несущей способности подрельсово-го основания приведено па рис.5.5 и 5.9 в виде условной линии 1, Эта линия определяет рациональный диапазон изменения упругой осадки.
На основании проведенных расчетов ограничения скорости устанавливаются только по критериям прочности основной площадки земляного полотна, балласта и напряжений в кромке подошвы шпал.
