CC BY
37
УДК 625.1
I. О. БОНДАРЕНКО, Д. М. КУРГАН, О. М. ПАТЛАСОВ, В. е. САВЛУК (ДИТ)
ВИКОРИСТАННЯ ЦИФР0В01 ВИМ1РЮВАЛЬН01 ТЕХН1КИ ДЛЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛ1ДЖЕНЬ ВЗАСМОДП КОЛ11 I РУХОМОГО СКЛАДУ
Показано тенденцп застосування сучасно! цифрово! техшки для проведения експериментальних досль джень впливу рухомого складу на колш. Розглянуто можливють визначення модуля пружносп шдрейково! основи за результатами вим1рювань напружень у рейках.
Ключовi слова: цифрова техшка, напруження в рейках, модуль пружносп
Показаны тенденции применения современной цифровой техники для проведения экспериментальных исследований воздействия на путь подвижного состава. Рассмотрена возможность определения модуля упругости подрельсового основания по результатам измерений напряжений в рельсах.
Ключевые слова: цифровая техника, напряжения в рельсах, модуль упругости
The tendencies of application of modern digital technique for carrying out the experimental research of the rolling stock effect on the track are shown. The possibility of determination of the elasticity module of the basis under a rail by results of measurements of stresses in rails is considered.
Keywords: digital technique, stresses in rails, elasticity module
Кол1евипробувальна галузева науково-до-слщна лаборатор1я ДНУЗТу проводить переоб-ладнання техшчно! бази для виконання експериментальних дослщжень взаемодп коли i рухомого складу за допомогою сучасно! вим1рю-вально! техшки. Вишрювання напружень в елементах коли i i'x деформацш вщтепер вщбу-ваеться за допомогою сучасного тензометрич-ного комплексу «ПОНИЛ-Ц», рис. 1.
Рис. 1. Елементи тензометричного комплексу «ПОНИЛ-Ц»
Розроблений тензометричний комплекс «ПОНИЛ-Ц» на даний час не уступае за сво!ми характеристикам обладнанню таких вщомих виробниюв як «НВМ», «Бад8сг1Ье», <^-СаМ».
Але дуже важлив1м е той факт, що дане об-ладнання розроблено в Украйш I мае можли-в1сть рееструвати р1зн1 ф1зичн1 величини: напруження, л1н1йн1 перем1щення, навантаження, сили. При необх1дност1 можливо додатково ви-
м1рювати прискорення, в1брац1ю та кутов1 пе-рем1щення.
На баз1 тензометричного комплексу «ПОНИЛ-Ц» можливо реатзовувати рейков1 стенди для виявлення повзушв, визначення фактичного завантаження вагошв, визначення «шалених» в1зк1в, несправностей рухомого складу та шше.
Даний тензометричний комплекс повшстю керуеться за допомогою програмного забезпе-чення, яке розроблене силами Кол1евипробува-льно! лаборатор1! та кафедри «Кол1я та кол1йне господарство», фрагмент ¿нтерфейсу з в1добра-женням осцилограм показано на рис. 2.
Рис. 2. Цифрова осцилограма отримана за допомогою тензометричний комплексу «ПОНИЛ-Ц»
На тензометричний комплекс «ПОНИЛ-Ц» отримано свщоцтво про державну метролопчну атестац1ю. Заф1ксована загальна похибка виш-рювань ± 2 % е достатньою для проведения екс-
© Бондаренко I. О., Курган Д. М., Патласов О. М., Савлук В. е., 2011
периментальних досл1джень, пов язаних з ви-пробуванням нових конструкцш коли та нових або модершзованих одиниць рухомого складу, в тому числ1 для швидюсного.
Окр1м безумовних переваг, що дае застосу-вання цифрово! вишрювально! техшки, таких як мобшьшсть, простота 1 надшшсть зберйання отримано! шформацп, швидюсть обробки да-них, це розкривае низьку додаткових можливо-стей, наприклад, вилучення з сигналу «шуму» вщ змшного електричного струму, рис. 3.
Рис. 3. Обробка сигнал1в за допомогою цифровых ф1льтр1в
Розроблене програмне забезпечення дало змогу автоматизувати розшифровку 1 подаль-ший аиал1з отримаиих даиих, рис. 4. Такий шд-хщ майже виключае можливють иомилки по причин! людського фактору 1 дае змогу отри-мувати вичерпну шформащю ще на мющ проведения експерименту. Таким чином е можли-вють одразу корегувати умови проведения до-слщжень для бшьш яюсного виршення задач, що були поставлен!, а у випадках одержання наднормованих величин - призупиняти проведения експерименту.
Рис. 4. Цифрова осцилограма теля розшифрування
Нове обладнання та запропоноваш методики обробки отримаиих результате набули ви-користання в експериментальних дослщжен-нях, що проводились Кол1евипробувальною ла-боратор1ею останшм часом. Вишрювання циф-
ровою техшкою було частково застосовано шд час випробування дослщного стршочного переводу проекту ДН345 та повшстю для проведения експерименнв по впливу рухомого складу на безстикову кол1ю з наявшстю вщстушв з утримання III ступеня. Пщ час експерименнв швидюсть руху досягала 176 км/год.
Висока частота дискретизацш запису (4 кГц) робить можливим отримувати не ильки niKOBi значения величин, що вишрюються, а й дослщжувати змшу напружень i деформацш у 4aci тд впливом рухомого навантаження практично як безперервний процес. Це дае змогу визначати деяю додатков1 характеристики зал1-знично1 коли. Наприклад, змша напружень в nepepi3i рейки до або теля проходження колеса залежить вщ жорсткосн конструкцп i дае мож-ливють експериментального дослщження такого показника, як модуль пружносп шдрейково! основи.
Модуль пружносп шдрейково! основи е од-шею з основних характеристик для визначення напружено-деформацшного стану зал1знично1 коли. BiH визначае зв'язок м1ж д1ючою силою i деформащею - одне з положень, на якому базу-еться сучасний метод ¿нженерного розрахунку коли на мщшсть [1]. Иого значения впливае на точн1сть розрахунку напружень в елементах коли, що вщбиваеться на правильносн встано-влення експлуатацшних характеристик дшянки [2], в тому числ1 допустимо! швидкосн руху i строк1в призначення ремоннв. 1снують пропо-зицп використовувати модуль пружносп шдрейково! основи як один з покажчиюв оцшки стану зал1знично! колй [3, 4].
В 60...80 роках в Д11Т1 для натурного вим-ру модуля пружносп застосовувався спещаль-ний пдравл!чний навантажувальний пристрш, змонтований на 6a3i чотиривюного вагона. При цьому сили, що д1ють на рейку, вим1рювалися за допомогою встановлених у головщ домкра-нв силом1р1в, а прогини рейок - за допомогою електричних прогином1р1в. Пристрш дозволяв одержувати безпосередньо графши залежносн прогишв рейок вщ прикладено! вертикально! сили в кожному цикт навантаження й розван-таження [5, 6]. Для його застосування необхщ-но надавати тривал! «вшна».
Сьогодш вщбуваеться пошук сучасного оперативного засобу вим1рювання модуля пружносп. 1снуючи пропозицп, наприклад [7, 8], не знайшли загального практичного застосування. Вони грунтувалися на вишрювант прогишв колй' тд про!здом по!зда. Основш труд-нощ1 виникають вщ неможливосп забезпечити достатню точн1сть вишрювання динам1чного прогину - величини яка мае невелике значения та швидко змшюеться у 4aci. Також на точшсть
результата впливае те, що прогинаеться не тшьки безпосередньо рейка, а й земляне полотно навколо затзнично! коли.
Наявнють цифрового обладнання для вим1ру напружень в рейках, яке завдяки високш часто-т1 дискретизацп вишрювань дае змогу отриму-вати майже безперервний запис, вщкривае мо-жливють визначити модуль пружносп за сшв-вщношення напружень в р1зних перер1зах рейки.
Вщповщно до «Правил розрахунюв затзни-чно1 коли на мщшсть 1 стшюсть» [1] напру-ження в рейках можна розрахувати анаттич-ним методом
М Ж
де
осьов1 напруження в тдошв! реики;
М - згинальний момент в рейщ;
Ж - момент опору по шдошв1 рейки.
Напруження в шших мюцях перер1зу рейки можна розрахувати використовуючи вщповщ-ш коеф1щенти [1].
Згинальний момент в рейщ визначаеться за формулою
Р1
М = екв 4к
де
Рекв - пеРша екв1валентна сила (враховуе одночасну д1ю на перер1з рейки декшькох колю);
к - коеф1щент вщносно! жорсткостк
к = 4
и
4Е1
де и - модуль пружносп шдрейково! основи; Е - модуль пружносп рейково! стал1; I - момент шерцп поперечного перер1зу рейки у вертикальнш площиш.
В загальному вигляд1 перша екв1валентна сила визначаеться за формулою
Рекв =Е Р Ь ,
де р - сила вщ . -го колеса, що д1е на розра-хунковий перер1з рейки;
цг- - коеф1щент, що враховуе вщстань (х.) вщ розрахункового перер1зу до д1ючо! сили
ц,. = е 1кх' (со8 kxi - 8т kxi) .
Якщо вщом1 напруження в двох перер1зах рейки, що виникли в момент часу вщ дп зовш-шньо! сили, можливо розв'язання зворотно! задач! - розрахунок модуля пружносп шдрейко-
во! основи. Розрахункова схема показана на рис. 5.
V
I Л\\\\\\\Ч\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\Ч\\\^\\\\ч
.у
о=£(ц,х)
(1)
Рис. 5. Розрахункова схема
Послщовшсть розрахунюв наведено в формулах (6)-(8):
р2
V
(6)
де стр1 1 ср2 - напруження в першому 1 другому
р2
перер1зу рейки вщповщно (див. рис. 5);
к = /(м* х) ,
(7)
де х - В1дстань М1ж перер1зами реики, в яких
визначено напруження стр1
1 с
р2 :
(2)
и = 4Е1к4 .
(8)
(3)
(4)
Таким чином, для визначення модуля пружносп шдрейково! основи достатньо знати вщ-ношення напружень в рейках в двох перер1зах, навпь без розрахунку значения сили, яка спри-чинила 1х появу.
Формула (7) може не визначатися в аналпи-чному вигляд! у зв'язку з необхщнютю розв'язання складних тригонометричних залежно-стей. Коефщент вщносно! жорсткосн розрахо-вувався шляхом апроксимацп набору пар зна-чень вщношення напружень-вщстань за крите-р1ем найменших квадрапв функщею (5). Такий тдхщ дае змогу не обмежуватись двома пере-р1зами на рейщ.
При виконанш експерименнв на дшянщ Ба-риш1вка - Бориспшь Ивденно-Захщно! затз-нищ було обладнано датчиками дв1 дшянки, кожна з котрих мала три послщовних перер1зи рейки, рис. 6, 7.
(5)
Рис. 6. Схема розташування датчиков на дослвднш дшянщ
р
X
Таким чином було отримано близько 300 результанв визначення модуля пружносп тд-рейково! основи, рис. 9. Обробка викоиувалась автоматично за доиомогою спещально створе-ного програмного забезпечення. Враховуючи значну кшьюсть матер1алу, результати, яю з рь зних причин не були оброблеш автоматично, не розглядалися. 1х кшьюсть склала близько 10 %.
60 -50 -40 -
Рис. 7. Послщовшсть трьох перер1з1в рейки, обладнаних датчиками
Напруження 1 вщсташ м1ж точками визна-чалися автоматизовано за результатами цифрового запису, рис. 8. Для зменшення впливу су-м1жних колю розглядалися ильки таю вар1анти розташування рухомого складу, коли перше колесо першого локомотива за!жджае на перший перер1з рейки, або, навпаки, останне колесо останнього локомотива з'!жджае з останньо-го перер1зу рейки. Взагат, в даному експери-менн по дослщнш дшянщ рухався по!зд, що складався з тако! послщовносн: локомотив ЧС-7, два пасажирських вагона, локомотив ЧС-7. За!зди виконувалися в обидва напрямки з р1зними швидкостями руху. Напруження в рейках розглядалися на зовшшнш кромщ головки та на зовшшнш 1 внутршнш кромщ шдошви.
Рис. 8. Визначення напружень 1 вщстаней за результатами цифрового запису
• * Г - - ' . * •• «• « • » • у * . * , * —* . ' .—»—; . •—/ /« ; * ; ; . ■—'—^
• * • / • ' • * ' * . •• • *
0 50 100 150 200 250
Номери розрахунмв
Рис. 9. Результати розрахунку модуля пружносп шдрейково!основи
Середне значения модуля пружносп шдрейково! основи (див. рис. 9), яке \ рекомендовано прийняти як розрахункове для розглянуто! д1-лянки, дор1внюе 22 МПа. При цьому вщношен-ня середньоквадратичного вщхилення до сере-днього значения склало 0,34, що не перевищуе рекомендованого штервалу дов1ри 0,4 [9]. До-стов1ршсть отриманих даних може бути полш-шена, якщо вщстань м1ж датчиками вим1рюва-ти безпосередньо на мюцевосн та збшьшити юльюсть розглянутих перер1з1в рейки.
Анатз отриманих даних не виявив р1знищ в результатах для двох дшянок розташованих на вщсташ близько 15 м (див. рис. 6). Також не спостерпалося впливу на результат таких фак-тор1в, як напрямок та швидюсть руху по!зда. Однак слщ в1дм1тити, що майже вс1 за!зди з1 швидкостями руху 160 км/год 1 вище було ви-ключено з розглядання шд час автоматично! обробки даних.
Запропоновану методику розрахунку можна використовувати й для аналопчних вим1р1в прогишв замють напружень. Звичайно, у цьому випадку, замють першо! екв1валентно1 сили бу-де використовуватися друга з вщповщним кое-фщ1ентом ^ [1]. Але такий шдхщ приведе до збшьшення похибки отриманого значения модуля пружносп. По-перше, по причин! склад-носн розмежування прогину рейки й прогину шдрейково! основи. По-друге, в наслщок поло-гост! функцп ^ = / (х) на вщмшу вщ функцп
ц = / (х) , що зробить р1зницю вихвдних даних для сум1жних перер1з1в рейки менш чггкою.
0
Висновки
1. Використання цифрово! техшки дае без-перечш переваги: мобшьнють, простота 1 на-дшнють зберпання отримано! шформацп, шви-дюсть обробки даних.
2. Висока частота дискретизацп вим1рювань дае змогу отримувати не тшьки шков1 значения напружень, а майже безперервний запис, що дае низьку додаткових можливостей для анат-зу результапв дослщжень.
3. Запропоновано 1 апробовано метод визна-чення модуля пружносп шдрейково! основи за результатами експериментальних вим1рювань напружень в рейках.
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Даншенко, Е. I. Правила розрахуншв зал1знич-но1 коли на мщшсть I стшшсть. ЦП-0117 [Текст] / Е. I. Даншенко, В. В. Рибкш - К.: Транспорт Украши, 2004. - 64 с.
2. Бондаренко, И. А. К вопросу определения модуля упругости пути в вертикальной плоскости [Текст] // Транспортш системи I технологи. - Вип. 5. - К.: КУЕТТ. 2004. - С. 16-27.
3. Курган, Д. М. Вплив стану зал1знично! д1лянки I структури по!здопотоку на життевий цикл кол11 [Текст] / Д. М. Курган, I. О. Бондаренко // В1сник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - 2007. - Вип. № 19. -Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007. - С. 78-83.
4. Гавриленко, А. К. Учет жесткости железнодорожного пути [Текст] / А. К. Гавриленко // Путь и путевое хозяйство. - 2007. - № 4. -С. 37-39.
5. Фришман, М. А. Исследование изменения вертикальной жесткости пути по его длине [Текст] / М. А. Фришман, И. С. Леванков // Исследование взаимодействия пути и подвижного состава : Тр. ДИИТ. - Вып. 138. - Д., 1972. - С. 48-57.
6. Малявко, А. М. Устройство для экспериментального определения упругих характеристик пути [Текст] / А. М. Малявко // Вопросы исследования пути : Тр. МИИТ. - Вып. 210. - М., 1965. - С. 80-93.
7. Сисин, М. П. Вим1рювання жорсткосп коли 1з використанням вщеозйомки [Текст] / М. П. Сисин, М. I. Уманов // Тр. 67-й Межд. науч.-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». - Д., 2007. - С. 189-190.
8. Гавриленко, А. К. Использование данных современных путеизмерительных средств для определения вертикальной жесткости пути [Текст] / А. К. Гавриленко, М. Н Смердов // Тр. науч.-практ. конф. «Повышение эффективности работы путевого хозяйства и инженерных сооружений железных дорог». - Екатеринбург: УрГУПС, 2006. - С. 199.
9. ДСТУ 3004-95 Надшшсть техшки. Методи оцшки показнишв надшносп за експеримен-тальними даними [Текст] : Затв.: Наказ Держ-стандарту Украши № 31 ввд 22.01.1995 р. - К.: Держстандарт Украши, 1995. - 124 с.
Надшшла до редколегп 23.12.2010.
Прийнята до друку 27.12.2010.
