Исследование колебательного процесса гранитного щебня в балластной призме Текст научной статьи по специальности «Физика»

68

Инноватика - производству

геометрия формы обслуживаемой территории, тариф на перевозку груза. Поэтому данный метод доступен для любой из областей Российской Федерации и применим не только к железным дорогам.

На выбор места расположения распределительных центров в ДФО влияют такие факторы, как развитость инфраструктуры (наличие участковой станции и холодильных емкостей), расположение таможенных пунктов, численность населения прилегающих территорий. В наибольшей степени таким требованиям удовлетворяют станции Тын -да, Нерюнгри, Новый Ургал. Организация распределительных центров в этих пунктах позволит ускорить и удешевить доставку продуктов питания населению территории БАМ и Южной Якутии.

Координация действий всех участников перевозочного процесса с учетом логистических принципов - одна из первоочередных задач сегодняшнего дня. Внедрение логистических технологий для организации перевозок СПГ имеет большое значение для повышения эффективности транспортного

обслуживания, товарообмена и улучшения продовольственного обеспечения ДФО.

Библиографический список

1. Транспортно-технологические схемы перевозок отдельных видов грузов : учеб. пособие / Н. А. Троицкая, М. Н. Шилимов. - М. : Кнорус, 2010. - 232 с.

2. Реализация транспортной стратегии России : сегмент контейнерных перевозок / С. Н. Кор -нилов, А. Н. Рахмангулов, О. В. Фридрихсон // Тр. Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием. Модернизация процессов перевозок, систем автоматизации и телекоммуникаций на транспорте. -Хабаровск : Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения, 2010. - С. 63-66.

3. Оптимизация технико-технологических параметров системы контейнерных перевозок на железной дороге : дис. ... канд. тех. наук : 05.22.08 : защищена 20.02.09 / Поспелов Александр Михайлович. - Екатеринбург, 2009. -177 с. - Библиогр. : с. 169-177.

УДК 625.1 2.033.38

, Т. М. Петрова, Х. И. Турсунов

Петербургский государственный университет путей сообщения

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА ГРАНИТНОГО ЩЕБНЯ В БАЛЛАСТНОЙ ПРИЗМЕ

Основные показатели состояния пути, их отклонения от нормативных в профиле и в плане напрямую зависят от несущей способности балластного слоя.

С увеличением поездной нагрузки на ось и скорости движения поездов повышается вибродинамическая нагрузка от колес на балластный слой, характеризующаяся амплитудой колебаний, частотой, виброскоростью и другими параметрами.

Вибродинамическое воздействие на балластный слой, как известно, оказывает негативное влияние на прочностные и деформативные характеристики, что влечет за собой снижение несущей способности балластного слоя.

балластный слой, гранитный щебень, амплитуда, колебания, затухание колебаний, несущая способность, вибродинамика.

И. В. Прокудин

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Инноватика - производству

69

Введение

В последние годы в Узбекистане большое внимание уделяют развитию железнодорожного транспорта. Появились новые скоростные и высокоскоростные магистрали, ведущие в различные города нашего региона. Пути, по которым идут современные поезда, были построены в начале прошлого столетия. Несмотря на то что несколько раз проводились крупномасштабные реконструкции этих линий, до сих пор выявляются большие деформации балластного слоя виде балластных корыт и балластных лож.

Отмеченные проблемы балластного слоя выявляются вследствие использования материалов с низкими прочностными характеристиками, недостаточной толщины балластного слоя, а также вибродиномических нагрузок, возникающих от проходящих поездов, в особенности от скоростных и высокоскоростных пассажирских и грузовых поездов с большегрузными вагонами.

Многочисленные исследования [1], [3] указывают на то, что прочностные свойства грунтов земляного полотна снижаются из-за воздействия вибродинамических нагрузок от проходящих поездов, что позволяет предположить аналогичную реакцию щебня на вибродинамическое воздействие.

Все это обусловливает необходимость проведения исследования колебательного процесса материалов балластного слоя.

1 Характеристика экспериментального

участка

Исследование основных характеристик колебательного процесса балластного слоя железнодорожного пути осуществлялось на 3493 км скоростной линии Ташкент -Самарканд. Верхнее строение пути представлено рельсами Р65, сваренными в плети длиной 800 м. Уравнительные пролеты состоят из трех рельсов длиной 25 м со стыковыми шестидырными накладками. Уложены железобетонные шпалы с эпюрой 1840 шт./км, скрепления типа КБ, ширина

колеи - 1520 мм. Балластная призма однослойная. Слой щебня под шпалой толщиной 40 см, отсыпан щебнем твердых пород фракциями от 25 до 60 мм.

2 Исследование распространения

колебаний в теле балластной призмы

Регистрация характеристик колебательного процесса в балластном слое осуществлялось сейсмоприемниками СМ-3. В комплект были включены три датчика, позволяющие измерить три составляющие амплитуды колебаний: вертикальную (Z), горизонтальную вдоль оси пути (X) и горизонтальную поперек пути (У). Запись осуществлялась в цифровом формате с помощью аналоговоцифрового преобразователя сигналов, записываемых в реальном времени в память компьютера. Принципиальная схема регистрации колебаний показана на рис. 1.

~220 V

Рис. 1. Принципиальная схема регистрации колебаний балластного слоя

Результирующая амплитуда колебаний Арез определялась расчетом по закону векторной суммы:

4- =4 42+A2+A2, (1)

где Az - амплитуда колебаний в вертикальной плоскости; Ay - амплитуда колебаний в горизонтальной плоскости поперек пути;

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2

70

Инноватика - производству

Ax - амплитуда колебаний в горизонтальной плоскости вдоль пути.

Обработке подвергались результаты по каждой составляющей амплитуды колебаний. В результате получались средние и максимальные вероятные значения при определённой скорости движения грузовых поездов. Уровень вероятности во всех случаях составлял 0,995:

A2 = Аср + 2,5 • S, (2)

где S - среднеквадратическое отклонение.

Схема установки датчиков колебаний приведена на (рис. 2).

поездов. В интервале изменения скорости от 55 до 125 км/ч увеличение амплитуд происходит по прямолинейной зависимости с интенсивностью 27 мкм на 10 км/ч. Максимальные амплитуды этой составляющей регистрируются при скорости движения поездов 125 км/ч и составляют 437 мкм.

Представленные на рис. 3 результаты показывают, что величина результирующей амплитуды колебаний в большей степени определяется величиной вертикальной составляющей.

Сравнивая величины колебаний по составляющим, можно сделать вывод о том, что самый низкий уровень имеют колебания

Рис. 2. Схема установки сейсмоприемников СМ3 в балластном слое на линии Ташкент - Самарканд (3493 км)

Эксперименты по исследованию распространения колебаний в теле балластного слоя в зависимости от скорости движения поездов проводились для пассажирских поездов в диапазоне скоростей от 55 до 125 км/ч.

Как видно из приведенных результатов, все составляющие амплитуд колебаний характеризуются прямолинейными зависимостями. Интенсивность возрастания амплитуд колебаний вдоль пути (кривая 3 на рис. 3) и поперек пути (кривая 4 на рис. 3) с увеличением скоростей движения имеет небольшие различия. Абсолютные значения максимальных вероятных амплитуд колебаний вдоль пути не превышают 104 мкм, а поперек пути - 126 мкм. Прямая 2 на рис. 3 отображает изменение амплитуд вертикальной составляющей колебаний с увеличением скорости движения пассажирских

вдоль пути. Колебания поперек пути чуть больше. Самый высокий уровень вибрации принадлежит вертикальной составляющей.

3 Исследование распространения

колебаний в теле балластного слоя

Основной целью исследования являлось установление закономерности распространения амплитуд колебаний по телу балластного слоя. Выявление затухания амплитуд по глубине балластного слоя осуществлялось по данным записей, зарегистрированных датчиками, установленными, согласно схеме (рис. 2), на глубине до 40 см от подошвы торца шпал. Результаты исследования затухания амплитуд колебаний по глубине балластного слоя представлены на рис. 4

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Инноватика - производству

71

Скорость, км/ч

Рис. 3. Зависимость амплитуд колебаний балластного слоя от скорости движения пассажирских поездов: 1 - результирующая амплитуда колебаний; 2 - вертикальная составляющая колебаний; 3 - горизонтальная составляющая колебаний поперек оси пути; 4 - горизонтальная

составляющая колебаний вдоль пути

и характеризуются изменением по глубине показателя 8г. Он определяется как отношение амплитуд, зарегистрированных на определенной глубине z от подошвы шпалы (Лбс), к амплитудам, зарегистрированным на балластном слое у торца шпалы (Л0бс). На рис. 4 представлен график, на котором показаны аппроксимирующие данные исследования при движении пассажирских поездов со скоростью от 80 до 130 км/ч.

Анализ рис. 4 показывает, что изменение 8бс с глубиной выражается линейной зависимостью:

Лбс = Лбс (1 -8бс • z), (3)

где 5бс - угловой коэффициент, или коэффициент затухания колебаний по глубине в балластном слое, 8бс = 1,063 1/м; Л 0бс - амплитуда балластного слоя у торца шпалы, мкм; Л бс - амплитуда балластного слоя на глубине от подошвы торца шпалы, мкм; z -глубина от подошвы шпалы, м.

Формула (3) хорошо отражает результаты распространения амплитуд колебаний балластного слоя на глубине 0 < z < 0,6 м.

Рис. 4. Изменение коэффициента затухания по глубине балластного слоя (при усредненном значении 51 в диапазоне скоростей от 80 до 130 км/ч)

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2

72

Инноватика - производству

Сопоставление результатов расчета амплитуд колебаний по формуле (3) с усредненными значениями, полученными во время экспериментов при различных скоростях движения пассажирских поездов, показывает хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных. Наибольшая погрешность составляет 2,3 % и имеет место на глубине 0,4 м от подошвы шпал.

4 Исследование распространения колебаний поперек оси пути

По данным экспериментальных замеров определены амплитуды колебаний по поверхности откоса балластного слоя и у торца шпал на бровке балластной призмы. Результаты этих исследований представлены на рис. 5. На рисунке показаны значения максимально вероятных амплитуд колебаний при различных скоростях движения.

Изменение амплитуды колебаний в зависимости от расстояния до источника в поперечном оси пути направлении определялось по формуле:

где Абс - результирующая амплитуда колебаний в балластном слое на расстоянии y от подошвы торца шпалы, мкм; А0бс - амплитуда колебаний балластного слоя у подошвы торца шпалы, мкм.

Принимая по чертежу угловой коэффициент, равный 0,362 [1/м], получим:

4° = 4" • (1 -82" • (У-1,35)), (5)

где А0бс - результирующая амплитуда колебаний балластного слоя у подошвы шпалы, мкм; §бс - коэффициент затухания колебаний поперек оси пути, б^с = 0,362 [1/м]; у -расстояние от оси пути, м; б^0 - коэффициент затухания колебаний в откосной части балласта, [1/м]; h - высота откоса балласта над рассматриваемой точкой, м; 1,35 - размер полушпалы, м.

Для определения коэффициента затухания в откосной части принята формула, предложенная И. В. Прокудиным:

1,5 • ctgaj ’

б

у

Аб

б.с

(4) h

0

(У - 0,5Ьпл) • tga1

при у<0,5• ьпл;

при у > 0,5 • Ьпл,

Рис. 5. Затухание амплитуд результирующих колебаний в поперечном оси пути направлении при движении пассажирских поездов со скоростями от 80 до 130 км/ч

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Инноватика - производству

73

где а - угол наклона откоса к горизонту; Ъпл - ширина балластной призмы по низу, м.

Распространение колебаний в балластном слое происходит одновременно в вертикальном и горизонтальном направлениях, поэтому выражение для расчета амплитуд колебаний принимает следующий вид:

л62;=k • 4 е (1 -5fc • z-5б2с X (7)

X (у-1,35)-53'с • hi),

где k - коэффициент пропорциональности, k = 1,08.

Заключение

1. Амплитуды колебаний возрастают прямо пропорционально росту скорости движения поездов. При этом самый низкий уровень имеют колебания вдоль пути. Колебания поперек пути чуть больше. Самый высокий уровень вибрации имеет вертикальная составляющая.

б. По глубине балластного слоя влияние скорости движения на уровень вибродинамического воздействия снижается. На уровне подошвы торца шпал интенсивность роста амплитуд результирующих колебаний составила 66 мкм на каждые 10 км/ч увеличения скорости, а на глубине 0,4 м под подошвой шпалы - 13 мкм, т. е. снизилась в 6 раза.

3. Определен коэффициент затухания ко -лебаний по глубине балластного слоя, от-

сыпанного из гранитного щебня. В пределах от подошвы шпал до глубины 0,4 м его значение составило 1,063 [1/м].

4. Определен коэффициент затухания колебаний в направлении перпендикулярном оси пути. В пределах зоны до 0,7 м от торца шпалы его значение составило 0,366 1/м (рис. 6).

5. Предложены зависимости (7) расчета амплитуд колебаний в любой точке балластного слоя для последующих расчетов, связанных с оценкой несущей способности. Расчеты, выполненные с её применением, дают хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных. Максимальная погрешность составила 15 %.

Библиографический список

1. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку : дис. ... д-ра техн. наук / И. В. Про-кудин. - Л., 1986. - С. 455.

6. Колебания глинистых грунтов земляного полотна при высокоскоростном движении поездов / И. В. Прокудин // Вопросы земляного полотна и геотехники на железнодорожном транспорте : сб. науч. тр. - Днепропетровск : ДИИТ, 1979. - Вып. 603/68. - С. 43-51.

3. Несущая способность подрельсового основания в сложных условиях / А. И. Гасанов // Путь и путевое хозяйство. - 6008. - № 7. - С. 39.

♦ 81-90 ■ 91-100 ▲ 101-110 X 111-160 Ж 161-130 • усредненная линия

Рис. 6. Затухание результирующих колебаний в поперечном оси пути направлении, выраженное через показатель «соотношение амплитуд», 5у

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2