CC BY
56
УДК 625
Интенсивность накопления остаточных деформаций железнодорожного пути, эксплуатируемого в сложных природно-климатических условиях
Л. С. Блажко, Е. В. Черняев, В. А. Черняева, В. В. Ганчиц
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Блажко Л. С., Черняев Е. В., Черняева В. А., Ганчиц В. В. Интенсивность накопления остаточных деформаций железнодорожного пути, эксплуатируемого в сложных природно-климатических условиях // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 4. -С. 24-34. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-4-24-34
Аннотация
Цель: Провести анализ результатов наблюдений по оценке интенсивности накопления остаточных деформаций конструкции железнодорожного пути, эксплуатируемого в суровых природно-климатических условиях (участок наблюдений расположен за Полярным кругом). Кроме этого учитывались конструкция железнодорожного пути (тип промежуточных скреплений, подрельсовое основание, состояние балластного слоя), план железнодорожной линии, пропущенный тоннаж, скорость движения поезда и осевая нагрузка. Методы: Применяются методы математической статистики и обработка данных. Результаты: Получены зависимости деформационных и прочностных свойств железнодорожного пути, в том числе от пропущенного тоннажа. Практическая значимость: Приведенные результаты наблюдений по оценке интенсивности накопления остаточных деформаций конструкции железнодорожного пути, эксплуатируемого в суровых природно-климатических условиях Заполярья, свидетельствуют о том, что применение вагонов с повышенной осевой нагрузкой будет приводить к существенному сокращению межремонтных сроков и увеличению эксплуатационных расходов на техническое обслуживание пути.
Ключевые слова: Железнодорожный путь, суровые природно-климатические условия, упругие деформации, остаточные деформации, модуль упругости подрельсового основания, напряженно-деформированное состояние железнодорожного пути.
Введение
Интенсивность накопления остаточных деформаций в конструкции железнодорожного пути определяется совокупностью внешних (эксплуатационных, природно-климатических) и внутренних (прочностных и де-формативных свойств отдельных элементов конструкции) факторов. Природно-климатические факторы, в том числе инженерно-геологические условия, в отдельных случаях имеют превосходящее над эксплуатационными воздействиями влияние, определяющее систему технического обслужива-
ния железнодорожного пути или его элементов. Конструкция железнодорожного пути, включая его основание, должна иметь такие характеристики, при которых интенсивность накопления остаточных деформаций будет стремиться к минимально возможным значениям, что позволит существенно снизить эксплуатационные затраты и затраты труда на его содержание.
В статье приведен анализ результатов наблюдений по оценке интенсивности накопления остаточных деформаций конструкции железнодорожного пути, эксплуатируемого в суровых природно-климатических условиях (участок наблюдений расположен за Полярным кругом). Кроме этого учитывались конструкция железнодорожного пути (тип промежуточных скреплений, подрельсовое основание, состояние балластного слоя), план железнодорожной линии, пропущенный тоннаж, скорость движения поезда и осевая нагрузка.
Полученные в работе зависимости деформационных и прочностных свойств железнодорожного пути, в том числе от пропущенного тоннажа, коррелируются со значением изменяющейся величины затрат труда на техническое обслуживание, обеспечивающее его заданные эксплуатационные характеристики (скорость движения поезда, осевая нагрузка).
Описание исследуемого участка пути
Железнодорожный путь протяженностью 117 км расположен в зоне сложных природно-климатических условий (среднегодовая температура воздуха: -0,5 °С; безморозный период: 5 месяцев; минимальная температура воздуха: -44 °С; максимальная температура: +32 °С) [1].
План участка наблюдений сложный, протяженность кривых составляет 52 % от длины участка. При этом доля кривых с радиусом менее 350 м составляет 21 %, 351-500 м - 22 %, 501-650 м - 41 %.
Земляное полотно (насыпи до 3 м) на большом протяжении сложено местными скальными грунтами, обладает минимальным количеством деформирующихся и неустойчивых мест [2].
Эксплуатируемый подвижной состав, в том числе полувагоны с осевой нагрузкой 25 т. с. грузоподъемностью 108 т, имеют длину 12,1 м, скорость движения - до 60 км/ч.
В 2014 г. доля поездов с осевыми нагрузками 25 т. с. в пропущенном тоннаже составила 2 %, в 2015 г. - 4,5 %; пробег подвижного состава, тонно-километры брутто, увеличился на 6,8 %; средний вес поезда брутто, тонн - на 2,4 %; количество проследовавших грузовых поездов - на 4,8 %. Средняя участковая скорость движения поездов уменьшилась на 2 %; средняя осевая нагрузка с учетом пропуска поездов с повышенной осевой нагрузкой составила 15,6 т; грузонапряженность участка за первый год про-
пуска таких поездов возросла на 2,6 % и достигла 14,35 млн т брутто/год. Капитальные ремонты на опытном участке по длине проводились в разные временные промежутки, соответственно пропущенный тоннаж в начале наблюдений по длине участка (117 км) находился в диапазоне 49-140 млн т.
Напряженно-деформированное состояние железнодорожного пути опытного участка
Модуль упругости подрельсового основания является одной из основных характеристик, определяющих напряженно-деформированное состояние конструкции железнодорожного пути в целом [3, 4]. Конструкция верхнего строения пути (рельсы, скрепления, балластный слой) представляет собой многофакторную, сложную расчетную модель, результирующий модуль упругости которой формируется соответствующими значениями ее отдельных элементов, а также работой подбалластного слоя, земляного полотна и его основания [5]. При прочных грунтах земляного полотна упругая осадка на 70-75 % образуется в результате деформативных свойств элементов верхнего строения пути. Представленные на рис. 1 зависимости получены в результате обработки массива данных, полученных Научно-производственной фирмой «Спецмаш» при исследовании пути комплексной лабораторией инженерно-геологического обследования земляного полотна железнодорожного пути (ЛИГО), предназначенной для оценки технического состояния железнодорожного пути по несущей способности и деформативности в сезон устойчивых положительных температур воздуха [6].
Проанализировав представленные на рис. 1 зависимости, очевидно отсутствие стадии, в которой величина упругой осадки элементов верхнего строения пути имела бы постоянное значение. Из этого можно сделать следующий вывод: малозатратной в процессе эксплуатации конструкцией железнодорожного пути будет та, у которой модуль упругости будет управляемым эксплуатирующей организацией. Подтверждение тому стабильная работа безбалластных конструкций железнодорожного пути.
Учтем, что балластный материал и грунт земляного полотна промерзают из-за отрицательной в течение 7 месяцев температуры воздуха в районе опытного участка. Это приводит к увеличению параметра модуля упругости подрельсового основания в большую сторону (в 2-4 раза), чем в период положительных температур. Результатами исследований [7] установлено, что для пути с железобетонными шпалами в круглогодичном цикле оптимальное значение модуля упругости подрельсового основания должно находиться в диапазоне 100-504 МПа. В остальных случаях излишняя жесткость пути увеличивает динамические взаимодействия пути и
а
м
Рч — - О
О О
-а
I
О
70 60 50 40 30
о
О 20
л
| Ю
и
о
'О** А в
-Л 1
V нь 1 1
4в- Г
В " о
б
20 40 60 80 100 120 140 160 Пропущенный тоннаж, млн т
60 80 100 Пропущенный тоннаж, млн т
Рис. 1. Зависимости изменений деформативных характеристик от пропущенного по опытному участку тоннажа: а - модуля упругости; б - упругой осадки рельса (штриховая линия) и упругой осадки шпалы (сплошная линия)
подвижного состава, а недостаток жесткости вызывает ослабление пути и, как следствие, способствует повышению интенсивности накоплений остаточных деформаций и развитию дефектов как в конструкции железнодорожного пути, так и в элементах подвижного состава. Вместе с тем жесткость пути в вертикальной плоскости в некоторой степени определяет сопротивление движению экипажа. Мощность рассеяния энергии в пути при вертикальных колебаниях уменьшается с ростом модуля упругости [7]. Таким образом, от модуля упругости подрельсового основания, учитывая любые эксплуатационные особенности (скорость, нагрузку на ось, особеннос-
ти подвижного состава и пр.), зависит интенсивность накопления остаточных деформаций.
С увеличением модуля упругости возрастает вертикальная сила от колеса на рельс, уменьшаются прогиб рельса и осевые напряжения в его подошве, увеличиваются напряжения в балласте. Зависимость напряжений от модуля упругости подрельсового основания настолько существенна, что следует провести специальные инструментальные обследования пути с целью определения его реального значения. Особенно актуальной становится данная проблема при необходимости оценить возможность организации движения по выбранному направлению вагонов с повышенными осевыми нагрузками.
В соответствии с исследованиями других авторов (см., например, [7]) для рассматриваемого опытного участка можно сделать следующие выводы:
• в прямых участках пути при регулярном пропуске подвижного состава с осевой нагрузкой 25 т. с. со скоростью 80 км/ч, при модуле упругости подрельсового основания выше 90 МПа, напряжения сжатия в балласте под шпалой в подрельсовой зоне превысят допустимые, при более чем 115 МПа они на основной площадке земляного полотна в подрельсо-вой зоне также превысят допустимые. Максимальные напряжения растяжения в кромке подошвы рельса, обусловленные его изгибом и кручением вследствие вертикального и поперечного горизонтального воздействия колес подвижного состава, возникнут при минимальной величине модуля упругости и составят не более 40 % от допустимых значений;
90 км/ч 80 км/ч 60 км/ч 40 км/ч
■ - в балласте под шпалой в подрельсовой зоне;
■ - на основной площадке земляного полотна в подрельсовой зоне;
■ - в балласте под шпалой в подрельсовой зоне (износ рельса 6 мм);
■ - на основной площадке земляного полотна в подрельсовой зоне (износ рельса 6 мм)
Рис. 2. Допустимые значения модуля упругости подрельсового основания (МПа) для пропуска подвижного состава с осевой нагрузкой 30 т. с. по критерию непревышения допустимого значения напряжений сжатия
• в кривых участках, в аналогичных эксплуатационных условиях, при модуле упругости подрельсового основания, превышающим 120 МПа, напряжения сжатия в балласте под шпалой в подрельсовой зоне превысят допустимые значения, при 125 МПа они на основной площадке земляного полотна в подрельсовой зоне также превысят допустимые. Максимальные напряжения растяжения в кромке подошвы рельса, обусловленные его изгибом и кручением вследствие вертикального и поперечного горизонтального воздействия колес подвижного состава, возникнут при минимальном модуле упругости и составят не более 60 % от допустимых значений.
Максимальные величины модуля упругости для регулярного пропуска подвижного состава с осевой нагрузкой 30 т. с. приведены на рис. 2.
Остаточные деформации
Значения модуля упругости подрельсового основания на опытном участке железнодорожного пути находятся в диапазоне от 6,0 до 59,0 МПа, что свидетельствует о недостаточной жесткости пути и, как следствие, приводит к увеличению упругих осадок рельсов, ослаблению пути и способствует росту интенсивности накоплений остаточных деформаций и развитию дефектов в конструкции железнодорожного пути. Это подтверждается выводами работы [8], данными эксплуатирующей железнодорожный путь организации о выявлении и изъятии рельсов из пути в результате их дефектности. Если в 2014 г. в пути эксплуатировалось в среднем 130 рельсов, подлежащих замене в плановом порядке, то 2015 г. их количество достигло 240 штук.
Еще одним проявлением отступлений фактической жесткости верхнего строения железнодорожного пути от нормируемого значения является изменение интенсивности бокового износа рельсов в кривых. Результаты натурных наблюдений, проведенных учеными ПГУПС [9, 10], подтверждают, что в кривых малых радиусов износ рельсов на железобетонных шпалах с упругими скреплениями меньше, чем с жесткими.
Для рассматриваемого опытного участка при значениях пропущенного тоннажа до 50 млн т большей интенсивности бокового износа рельсов в кривых участках пути соответствует меньшее значение коэффициента относительной жесткости пути, после пропуска 50 млн т - меньшей интенсивности бокового износа рельсов в кривых участках пути соответствует больший коэффициент относительной жесткости пути (рис. 3, а, б).
а
б
о и о
СП
8 о ю
£ 2
К <й и о
5
0
1 (и н I
к
о и о
СП §
о
ю
£ 2
ч *
К <й
ю о
5
0
1 (и н I
к
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
со О
<£> ( > с
Ф С > 0 0 О 00 0 о
200 400 600 800 1000 1200 Радиус кривой, м
0
0 " )
( )
49 54 59 64 69 74 79 Пропущенный тоннаж, млн т
84
Рис. 3. Интенсивность накопления бокового износа в зависимости от радиуса кривой (а) и пропущенного тоннажа (радиус кривой 275-310 м) (б)
Заключение
С учетом эксплуатационных и деформативных характеристик исследуемого участка железнодорожного пути максимальные напряжения растяжения в кромке подошвы рельса, обусловленные его изгибом и кручением вследствие вертикального и поперечного горизонтального воздействия колес подвижного состава, будут не более 40 % от допустимых значений в прямых участках пути, не более 60 % - в кривых участках пути; максимальные напряжения сжатия в балласте под шпалой в подрельсовой зоне составят не более 85 % от допустимых значений в прямых участках пути, напряжения сжатия на основной площадке земляного полотна в подрель-совой зоне - не более 85 %.
0
Величины модуля упругости подрельсового основания на опытном участке железнодорожного пути находятся в диапазоне от 6,0 до 59,0 МПа, что свидетельствует о недостаточной жесткости пути и, как следствие, приводит к увеличению упругих осадок рельсов, ослаблению пути и способствует росту интенсивности накоплений остаточных деформаций и развитию дефектов в конструкции железнодорожного пути, что подтверждается данными эксплуатирующей железнодорожный путь организации о выявлении и изъятии рельсов из пути в результате их дефектности.
Эксплуатация вагонов с повышенной осевой нагрузкой 25 т.с. будет приводить к существенному сокращению межремонтных сроков и увеличению эксплуатационных расходов на техническое обслуживание пути и, по нашему мнению, может быть оправдана на участках (замкнутых маршрутах) при исчерпании пропускной способности линии (при перевозках грузов вагонами с осевой нагрузкой 21,0 и 23,0 т.с.).
Библиографический список
1. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. - Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. - М.: Министерство регионального развития Российской Федерации, 2012. - 108 с.
2. Берзин А. Тяжеловесы в свете эксперимента / А. Берзин // Гудок. - 2015. - С. 1.
3. Акашов А. Н. Конструктивно-технологические и организационные решения по повышению стабильности геометрии рельсовой колеи на участках обращения поездов повышенного веса и длины: дис. на соискание учен. степени канд. техн. наук, специальность: 05.22.06 / А. Н. Акашов. - М.: МИИТ, 2010. - 135 с.
4. Нусулбеков С. И. Влияние жесткости рельсовых скреплений на работоспособность прокладок / С. И. Нусулбеков // Новости науки Казахстана. - 2008. - С. 94-100.
5. Ашпиз Е. С. Обоснование нормативов деформативности подрельсового и под-пального основания / Е. С. Ашпиз // Мир транспорта. - 2012. - С. 112-119.
6. Инструкция по оценке деформативности подрельсового основания нагрузочным поездом. - Утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 15 августа 2012 г. № 1648 р. -М.: ОАО «РЖД», 2012. - 5 с.
7. Привалов С. В. Влияние жесткости подрельсового основания на взаимодействие экипажа и пути: дис. на соискание учен. степени канд. техн. наук, специальность: 05.22.06 / С. В. Привалов. - М.: ВНИИЖТ, 2004. - 118 с.
8. Третьяков В. В. Влияние характеристик подбалластного основания на интенсивность накопления расстройств пути в вертикальной плоскости: дис. на соискание учен. степени канд. техн. наук, специальность: 05.22.06 / В. В. Третьяков. - М.: ВНИИЖТ, 2008. - 163 с.
9. Блажко Л. С. Интенсивность накопления остаточных деформаций при воздействии вагонов с осевой нагрузкой 250 кН: автореф. дис. на соискание учен. степени канд. техн. наук, специальность: 05.22.06 / Л. С. Блажко. - Л.: ЛИИЖТ, 1986. - 24 с.
10. Блажко Л. С. Технико-технологическая оценка усиления конструкции пути на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 300 кН: дис. на соискание учен. степени д-ра техн. наук, специальность: 05.22.06 / Л. С. Блажко. - СПб.: ПГУПС, 2003. - 331 с.
Дата поступления: 25.08.2020 Решение о публикации: 30.09.2020
Контактная информация:
БЛАЖКО Людмила Сергеевна - д-р техн. наук, профессор; blazhko@pgups.ru ЧЕРНЯЕВ Евгений Владимирович - канд. техн. наук, доцент; chernyaev@pgups.ru ЧЕРНЯЕВА Виктория Андреевна - канд. техн. наук, доцент; chernyaeva@pgups.ru ГАНЧИЦ Виктор Всеволодович - науч. сотрудник; lumina1993@mail.ru
The intensity of the accumulation of residual deformations in the railway track operated in complex natural and climatic conditions
L. S. Blazhko, E. V. Chernyaev, V. A. Chernyaeva, V. V. Ganchits
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Blazhko L. S., Chernyaev E. V., Chernyaeva V. A., Ganchits V. V. The intensity of the accumulation of residual deformations in the railway track operated in complex natural and climatic conditions. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 4, pp. 24-34. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-4-24-34
Summary
Objective: To analyze the results of observations conducted to assess the intensity of the accumulation of residual deformations in the railway track structure operated in severe natural and climatic conditions (the observation site is located above the Arctic Circle). The following were also taken into account: the railway track design (type of intermediate fasteners, track slab, condition of the ballast bed), the railway line scheme, the tonnage handled, the train speed and the axle load. Methods: Mathematical statistics, data processing. Results: The dependences of the railway track deformation and strength properties, including the tonnage handled, have been obtained. Practical importance: The presented observation results of the assessment of the intensity of deformation accumulation in the railway track structure operated in the severe natural and climatic conditions of the North of the Arctic Circle indicate that the use of increased axle load wagons will entail a significant reduction in overhaul life and an increase in the track maintenance operating expenditures.
Keywords: Railway track, severe natural and climatic conditions, elastic deformations, residual deformations, track modulus, stress-strain state of the railway track.
References
1. SP 131.13330.2012. Stroitel'naya klimatologiya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23-01-99* [Set of rules 131.13330.2012. Building climatology. Revised edition of SNiP (Construction rules and regulations) 23-01-99*]. Moscow, Ministry for Regional Development of The Russian Federation Publ., 2012, 108 p. (In Russian)
2. Berzin A. Tyazhelovesy v svete eksperimenta [Heavyweights in the light of the experiment]. Gudok, 2015, p. 1. (In Russian)
3. Akashov A. N. Konstruktivno-tekhnologicheskiye i organizatsionnyye resheniya po povysheniyu stabil'nosti geometrii rel'sovoy kolei na uchastkakh obrashcheniya poyezdov povyshennogo vesa i dliny. Diss. na soiskaniye uchen. stepeni kand. tekhn. nauk, spetsial'nost': 05.22.06 [Constructive, engineering and organizational solutions to increase the stability of the rail track geometry in the sections of the circulation of trains with increased weight and length. Dis. for scientist degree of PhD in Engineering, speciality: 05.22.06]. Moscow, MIIT Publ., 2010, 135 p. (In Russian)
4. Nusulbekov S.I. Vliyaniye zhestkosti rel'sovykh skrepleniy na rabotosposobnost' prokladok [Influence of the stiffness of rail fasteners on the performance of pads]. Novosti nauki Kazakhstana [Science News of Kazakhstan], 2008, pp. 94-100. (In Russian)
5. Ashpiz E. S. Obosnovaniye normativov deformativnosti podrel'sovogo i pod-shpal'nogo osnovaniya [Substantiation of the nominal stress-related characteristics of the base under the rail and in the slab area]. World of Transport and Transportation, 2012, pp. 112119. (In Russian)
6. Instruktsiya po otsenke deformativnosti podrel'sovogo osnovaniya nagruzochnym poyezdom [Guidelines for assessing the stress-related characteristics of a track slab base by a load train]. Approved by JSC Russian Railways Order N 1648 r as of August 15, 2012. Moscow, JSC Russian Railways Publ., 2012, 5 p. (In Russian)
7. Privalov S. V. Vliyaniye zhestkosti podrel'sovogo osnovaniya na vzaimodeystviye ekipazha iputi. Diss. na soiskaniye uchen. stepeni kand. tekhn. nauk, spetsial'nost': 05.22.06 [Influence of the stiffness of the track slab on the interaction of the vehicle and the track. Dis. for scientist degree of PhD in Engineering, speciality: 05.22.06]. Moscow, VNIIZhT Publ., 2004, 118 p. (In Russian)
8. Tret'yakov V. V. Vliyaniye kharakteristik podballastnogo osnovaniya na intensiv-nost' nakopleniya rasstroystvputi v vertikal'noy ploskosti. Diss. na soiskaniye uchen. stepeni kand. tekhn. nauk, spetsial'nost': 05.22.06 [Influence of the track slab characteristics on the intensity of track damage accumulation in the vertical plane. Dis. for scientist degree of PhD in Engineering, speciality: 05.22.06]. Moscow, VNIIZhT Publ., 2008, 163 p. (In Russian)
9. Blazhko L. S. Intensivnost' nakopleniya ostatochnykh deformatsiy pri vozdeystvii va-gonov s osevoy nagruzkoy 250 kN. Avtoreferat diss. na soiskaniye uchen. stepeni kand. tekhn. nauk, spetsial'nost': 05.22.06 [Intensity of residual deformations accumulation due to 250 kN axle load wagons' impact. Abstract of the dis. for scientist degree of PhD in Engineering, speciality: 05.22.06]. Leningrad, LIIZhT Publ., 1986, 24 p. (In Russian)
10. Blazhko L. S. Tekhniko-tekhnologicheskaya otsenka usileniya konstruktsii puti na uchastkakh obrashcheniya podvizhnogo sostava s osevymi nagruzkami do 300 kN. Diss. na soiskaniye uchen. stepeni d-ra. tekhn. nauk, spetsial'nost': 05.22.06 [Technical and engineering assessment of the reinforcement of the track in the areas of rolling stock circulation with axle loads up to 300 kN. Abstract of the dis. for scientist degree of PhD in Engineering, speciality: 05.22.06]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2003, 331 p. (In Russian)
Received: August 25, 2020 Accepted: September 30, 2020
Author's information:
Lyudmila S. BLAZHKO - Dr. Sci. in Engineering, Professor; blazhko@pgups.ru Evgeniy V. CHERNYAEV - PhD in Engineering, Associate Professor; chernyaev@pgups.ru
Viktoria A. CHERNYAEVA - PhD in Engineering, Associate Professor; chernyaeva@pgup s. ru
Viktor V. GANCHITS - Researcher; lumina1993@mail.ru
