Безопасность жизнедеятельности при выбросе бесстыкового железнодорожного пути от температурного и вибродинамического воздействия Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Белокобыльский С.В., Кашуба В.Б. Моделирование режимов работы машины для заглаживания бетонных поверхностей // Труды 45-ой Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии транспорту и промышленности», ДВГУПС. Владивосток. 2007. С.144-149.

2. Белокобыльский С.В., Кашуба В.Б. Особенности контактного взаимодействия

3.

4.

вибрирующих рабочих органов с бетонной поверхностью в технологиях заглаживания // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. Вып. №2 (14). Иркутск. 2007. С. 31-38. Мамаев Л.А., Кононов А.А., Герасимов С.Н., Кашуба В.Б. Экспериментальные исследования в области обработки бетонных поверхностей. БрГУ, Братск. 2006. 146 с. Елисеев С.В., Нерубенко Г.П. Динамические гасители колебаний. Наука. Новосибирск. 1990. 232 с.

Сигачев Н.П., Тюпин В.Н.

УДК 625.143 + 629.024

БЕЗОПАСНОСТЬ

ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРИ ВЫБРОСЕ БЕССТЫКОВОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ_

Искусственное или естественное создание в рельсовых плетях бесстыкового железнодорожного пути дополнительных напряжений приводит к горизонтальному или вертикальному выбросу пути и подчас к сходу подвижного состава с рельс. Это существенно снижает уровень безопасности при движении поездов.

К естественным физическим полям, создаваемым в рельсах, относится температурное воздействие от солнечного излучения или изменения температуры воздуха. Это приводит к формированию температурных сжимающих напряжений в рельсах, которые достигают 107 -108Па при нагревании рельса на 10-50°С. При этом допустимое значение контактного давления на рельс составляет 8 -107 -1,2- 108 Па.

К искусственному физическому полю относится вибродинамическое воздействие движущегося поезда на рельсы. Причем, согласно

экспериментальных данных ВНИИЖТ и теоретических исследований [1] величина сжимающих напряжений в рельсах непосредственно под колесом составляет 8 -107 - 2,5 -108 Па.

Многочисленными натурными наблюдениями [2] установлено, что выбросы бесстыкового рельсового пути происходят при температурном воздействии, но наиболее часто при комплексном температурном и вибродинамическом воздействии движущегося поезда. Причем при комплексном воздействии выбросы наблюдаются на расстоянии до 50 м [2] от локомотива подвижного состава, наиболее часто на расстоянии до 3 м. Этими же исследованиями установлено, что температура рельс при выбросе в 1,8-2 раза превышает температуру их закрепления. При выбросе в вертикальной плоскости длина волны выброса составляет 8-12 м со стрелой изгиба (величиной подъема пути вверх) равной 0,2-0,3 м. При выбросе в горизонтальной плоскости длина вол-

ны составляет 20-40 м, стрела изгиба - 0,2-0,4 м. Процесс температурного выброса колеи длится всего 0,2 с, причем происходит, как правило, в горизонтальной плоскости [2].

В работе [2] дается механизм выброса рельсовой колеи и приводится большой экспериментальный материал по параметрам выброса. В работе [3] приводится подробный математический вывод параметров при температурном выбросе колеи с определением критической силы, предельной длины и критериев устойчивости бесстыкового пути. Математические расчеты основаны на силовом подходе, поэтому не учитывают многих геометрических и физико-технических свойств рельсового пути, шпал и балласта. Кроме того, в них не определена стрела изгиба (величина сдвига) пути.

В настоящей работе на основе закона сохранения энергии определяется стрела изгиба, то есть горизонтальное смещение рельсовой плети и приведены критерии устойчивости пути. Задача решается при условии движения колеса по рельсовой плети, находящейся в температурном поле, превышающем температуру закрепления. Концы рельсовой плети жестко закреплены.

Энергия упругих деформаций Шт, созданных температурными напряжениями в рельсе и вибродинамическим воздействием поезда №епб, расходуется на изгиб рельсовых плетей в месте выброса Шизги преодоление сил трения шпал о балласт . то есть

Ж + Жвиб =

+ жт

т р •

(1)

а(г) - величина сжимающего напряжения, создаваемого в рельсовой плети при движении по ней одного колеса, Па;

V - коэффициент Пуассона рельсовой стали;

Уеи6 - объем рельса перед движущимся поездом, подверженный наибольшим вибраци-

3

ям, м ;

О - модуль сдвига рельсовой стали, Па;

Ув - объем выброса рельсовой плети, м3;

агр - напряжение в балласте, создаваемое весом элемента рельсовой плети (вес рельса на 1 шпалу, вес половины шпалы), Па;

ц - коэффициент трения между шпалой и балластом;

Б шп - площадь контакта нижней поверхности половины шпалы с щебенкой, м2;

IВ - величина подвижки рельсовой плети (стрела изгиба) в зоне выброса, м. Распределение напряжений перед выбросом представлено на рис. 1.

Подставляя (2) и (3) в (1), получим

2 ат V V ( V ^2" _Ер 0 11-V) _ а2 (г) + V т-, виб Ер

2ц ат ( ^ Ь г р _ Б шп

(4)

Входящие в (1) величины определяются по формулам на основе работ [1,4,5]

~2 а»,

Жт =

2Е.

V; Жеиб =-

2Е„

(2)

Математические формулы величин, входящих в (4), определяются по следующим формулам. Величина температурных напряжений, возникающих в материале согласно известным законам физики, равна

ат =ЛТрЕр, (5)

где ЛТ - величина превышения температуры материала, °С ;

Р - коэффициент линейного теплового расширения, 1/°С .

Ж

шг 2011-V

ЖтР = Ц

V 1-V

V*

+ а

г р

Б /

(3)

где а т - термические напряжения, возникающие в закрепленном рельсе при увеличении температуры, Па;

Ер - модуль упругости рельсовой стали,

Па;

Уп - объем одной рельсовой плети между двумя точками закрепления, подверженный температурному воздействию, м ;

Рис.1. Схема распределения напряжений при температурно-вибродинамическом выбросе рельсовой плети.

2

2

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Объем деформирования рельсовой плети ¥п и величины ¥виб, VB определяют по формулам:

V = Щ Ц -р-1 = SpLl , (6)

где V - соответствующие объемы деформирования рельсовой плети, м3;

т1 - масса 1 метра рельса, кг/м; р - объемная масса рельса, кг/м3;

- длина рельса, Ьп - длина укладываемой плети, Цвиб - длина рельса от переднего колеса локомотива, подверженная наибольшим вибрациям, Цв- длина рельса в зоне выброса, м;

Sp - площадь поперечного сечения рель-

2Р

са, м .

Величина сжимающих напряжений, создаваемых подвижным составом в рельсовой плети впереди состава определена по упрощенной формуле из [5]

При этом численный анализ показал, что

*) =

г

ти Е0 пЯвпгJ

(7)

а Г р =

(8)

О =-

Б„

2(1 + и)

(9)

т

величина а гр << а (5), (6) и (9) имеет вид

у(1 - V) . Тогда (4) с учетом

лтр*

I в =-

Ьп - 2Ьр(1+ V)

1-V

(1-V)

2^и

(10)

При комплексном температурном и вибродинамическом воздействии величина подвижки рельсовой плети с учетом (5), (6), (7), (9) и учете того, что VП >> VВ определится:

(ЛТр)2^ п 2Е" " '

ПЛв„ГЕ.

(11)

%ЯвпгЕ^

2|дЛТ|

1-V

где т - масса части локомотива, действующего на элемент рельсовой плети, кг;

и - скорость движения поезда, м/с; Е0- модуль упругости шпалы, Па; Я - радиус колеса, м; вп - ширина подкладки, м;

г - расстояние от переднего колеса локомотива до предполагаемого места выброса, м.

Напряжение в балласте, создаваемое весом элемента рельсового пути определено по формуле:

где тэ - масса элемента железнодорожного пути, тэ »140-150 кг (при железобетонных шпалах);

д - ускорение свободного падения, м/с2.

Модуль сдвига рельса определяется через модуль упругости по известной формуле:

Формула (4) для определения величины подвижки рельсовой плети весьма сложна для расчетов и анализа влияния факторов на выброс плети. Проведем численный анализ параметров, входящих в формулу (4).

В начале рассмотрим случай выброса только при температурном воздействии.

Для доказательства достоверности полученных формул проведем их численный анализ по определению величины горизонтальной подвижки рельсового пути и сравним с имеющимися экспериментальными данными [2]. Примем исходные данные для расчетов:

ЛТ=50°,р = 11,8-10-61/°С, Sp = 8,2-10 -3м2, Ьп = 800м, Цв=10м, V = 0,27, | = 0,3, БшП = 2,7-0,5 -0,25-0,25 = 0,084 (0,25 - доля поверхности контакта щебенки с нижней плоскостью шпалы), т = 1,2-104 кг (электровоз ВЛ-80), и = 10 м/с, Еш =3-1010Па (шпала железобетонная), Я = 0,5м, вп =0,36м,

г = Ьиб =Зм, Ер = 2,1 -10" Па. Расчет по формуле (10) дает I в = 0,32м, а по формуле (11) -I в = 0,49м.

В работе [2] приводятся многолетние производственные данные по выбросу путей как просто при температурном воздействии, так и при комплексном температурно-виброди-намическом воздействии. Величина подвижки рельсовых плетей (стрела выброса) в [2] составляет от 0,2 до 0,4-0,5м, что указывает на достоверность полученных формул. Результаты расчета по (10) приведены на рис.2.

Анализ формул (10) и (11) показывает, что наиболее существенно на величину подвижки влияют регулируемые параметры: величина превышения температуры ЛТ, длина бесстыковой плети Ьп, коэффициент трения

между балластом и шпалой площадь контакта шпалы с балластом Swn. Отметим также, что весьма существенно на1в влияет скорость

2

V

V

движения поезда и. Малорегулируемым параметром является коэффициент Пуассона рельсовой стали V, хотя увеличение V с 0,25 до 0,35 приводит к уменьшению £ в в 1,6 раза.

В технической литературе при рассмотрении вопросов устойчивости бесстыковых рельсовых плетей от горизонтального выброса используют критерии, которые основаны на определении критических напряжений и предельной величины изменения температуры в рельсовых плетях.

Согласно [6] условие прочности бесстыкового пути определяется выражением

кп аК + ат <[а] (12)

где кп - коэффициент запаса прочности, равный 1,3;

ак - напряжение в рельсах, вызванное движением подвижного состава, Па;

[а] - допустимое напряжение в рельсах, принимаемое равным пределу текучести рельсовой стали, Па;

Согласно вышеизложенному (12) можно переписать в виде

( 2Т7

ти Е0 пЯвпг у

1ки +АГрЕр <[а] (13)

Численные расчеты по формуле (13) с учетом вышеприведенных численных значений параметров и [а] = 3,5 -108 Па дают результат:

в левой части суммарная величина равна 1,94 108 Па, что меньше 3,5 108 Па, то есть выброса рельсового пути не произойдет.

Предельную величину изменения температуры в рельсовых плетях можно определить из (10), пренебрегая весьма малой величиной в квадратных скобках, тогда

АТ >

р Ьп (1-у)

(14)

Рис.2. Зависимость величины сдвига рельсовой плети в £ в от длины бесстыковой части плети ), при превышении температуры скрепления плети АТ = 50° С.

То есть, выброс пути произойдет в том случае, если фактическая температура АТ превысит величину в правой части (14). Численные расчеты по формуле (14) при условии, что безопасной величиной подвижки пути является£ В = 015м и численных значениях параметров приведенных ранее дают АТ = 36,2° С, что при сопоставлении с данными [6] говорит о достоверности зависимости (14).

На основании проведенных теоретических исследований можно разработать ряд технических мероприятий по предотвращению выброса пути. Это увеличение коэффициента трения и площади контакта между шпалой и балластом, а также увеличение коэффициента Пуассона рельсовой стали. Сюда можно отнести также уменьшение скорости движения подвижного состава. В качестве балласта не рекомендуется применять песчаный, гравийный, шлаковый, асбестовый как имеющие наименьший коэффициент трения.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. ТюпинВ.Н. Определение напряженно - деформированного состояния железнодорожного пути при движении нагруженного колеса с использованием закона сохранения энергии // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование./ ИрГУПС.-2005.- №4.-С.57-64.

2. Лысюк В.С. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. -М.: Транспорт, 1997.-188 с.

3. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь: Учебник для вузов ж.-д. трансп.-3-е издание, перераб. и доп.-М.: Транспорт, 1987.-479 с.

4. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород. // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. - М.: ВНИПИ промтехно-логии, -2002. — 267 с.

5. Тюпин В.Н. Оценка вибродинамического воздействия движущегося поезда на физико-технические свойства многолетней мерзлоты. -В сб. трудов «Перспективы технического развития путевого комплекса ОАО «РЖД».-Москва: изд. журнала «Путь и путевое хозяйство».-2000.-С. 65-69.

6. Справочник инженера - путейца./Под ред. В.В. Басилова и М.А. Черныше-ва.-Т.1 Транспорт.-1972.-768 с.