МОДЕЛЮВАННЯ З МЕТОЮ ВСТАНОВЛЕННЯ ОЦіНОЧНИХ УМОВ ФУНКЦіОНАЛЬНОї БЕЗПЕКИ ЗАЛіЗНИЧНОї КОЛії Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»



*| ¡:::< 1.11.лл и с! г-..-|

ГУСй-Н и;::;;

Створено модель для визначення процеыв деформа-тивног роботи залiзничноi коли для подальшого дослi-дження цих процеыв на предмет встановлення ощ-ночних умов функциональной безпеки залiзничноi коли. Дослиджено особливостi формування процесу дефор-мативног роботи залiзничноi коли шляхом врахуван-ня розповсюдження об'емних та поверхневих хвиль в конструкци систем верхньог та нижньог будов залiз-ничног коли

Ключовi слова: моделювання, життевий цикл, деформативтсть залiзничноi коли, розповсюдження

хвиль, надшшсть коли, функцональна безпека коли

□-□

Создана модель для определения процессов деформированной работы железнодорожного пути для дальнейшего исследования этих процессов на предмет установления оценочных условий функциональной безопасности железнодорожного пути. Исследованы особенности формирования процесса деформационной работы железнодорожного пути путем учета распространения объемных и поверхностных волн в конструкции систем верхней и нижней строений железнодорожного пути

Ключевые слова: моделирование, жизненный цикл, деформативность железнодорожного пути, распространение волн, надежность пути, функциональная

безопасность пути --—>£-□ п-

УДК 625.1"401.4"-047.58

|РО!: 10.15587/1729-4061.2016.59874|

МОДЕЛЮВАННЯ З МЕТОЮ ВСТАНОВЛЕННЯ ОЦ1НОЧНИХ УМОВ ФУНКЦЮНАЛЬНОТ БЕЗПЕКИ ЗАЛ1ЗНИЧНОТ КОЛ1Т

I. О. Бондаренко

Кандидат технических наук, доцент Кафедра «Путь и путевое хозяйство» Днепрпетровский национальный университет железнодорожного транспорта

ул. Лазаряна, 2, г. Днепропетровск, Украина, 49005 Е-mail: ^^ bondarenko@ua.fm

1. Вступ

1снують двi характеристики, як характеризують стан будь-якого об'екту: це надшшсть та функцюналь-на безпека. Надшшсть коли характеризуе и здатшсть забезпечити безперервний пропуск поiздiв з уста-новленою швидюстю у заданих умовах експлуатацп, поточного утримання та ремонпв. Функцюнальна безпека залiзничноi коли характеризуе и здатшсть за-безпечувати безперебшний пропуск поiздiв безпечно, тобто без виникнення небезпечний ввдмов.

Кожна д^янка коли характеризуеться своiми екс-плуатацшними параметрами. За весь час експлуатацп конструкщя рейко-шпальноi решггки може бути укладена на деюлькох д^янках та и загальний термiн служби становить суму термжв служби на кожнш з цих дiлянок. Баластний шар не мае термшу служби, так як вш постiйно досипаеться. Земляне полотно побудовано тд експлуатацшш умови на термiн при-близно твтора столiтньоi давнини та експлуатуеться без реконструкцп пiд впливом сучасних навантажень. Рухомий склад, що обертаеться по коли, мае рiзнi стани починаючи з нового до граничного. Отже за свш життевий цикл, що обчислюеться вiд початку експлуатацп (з урахуванням и вщновлення пiсля ремонтiв) до переходу в стан, при якому експлуатащя неприпу-стима, рейко-шпальна решiтка по умовам мщносп та стiйкостi в подовжньому i поперечному напрямках повинна забезпечувати безпечний рух залiзничного рухомого складу при будь яких клiматичних умовах.

Основна проблема дослщження процесiв, що впли-вають на функцiональну безпеку колп, полягае в тому, що необхщно розглядати не момент часу, при якому враховаш всi несприятливi умови для окремо розгля-нутоi площини (вiдповiдно iснуючим нормативним методикам), а динамiчний процес змiни стану експлу-атацiйноi надiйностi залiзничноi колп. Цей процес повинен коректно враховувати комплексну ощнку по-ложення рейкових ниток в плаш i профШ, наявнiсть зносiв рейок та колк, що впливають на форму та площу контактноi взаемодii, пружнi властивост колii, при вiдстеженнi горизонтального i вертикального пере-мiщень колеса щодо рейки i промiжок часу, протягом якого ввдбуваються цi перемiщення. Окрiм зазначено-го необхiдно враховувати, що навиь в iдеальнiй пря-мш дiлянцi колii колiсна пара рухаеться по синусода, довжина хвилi якоi залежить вiд конусностi та радiусу колеса i ширини колii.

Тому необхщно питання про оцiнку впливу дп рухомого складу на колт розглядати як динамiчний процес, критерп граничних станiв якого обумовленi на пiдставi iснуючих нормативiв спiввiднесених зi станами надiйностi, а на '¿х основi розробити критерii по без-пецi протягом всього життевого циклу експлуатацп.

2. Аналiз лггературних даних та постановка проблеми

Роботи з вивчення динамiчних процесiв ведуться в рiзноманiтних напрямках. Теоретичну частину, за-

звичай, розробляють науковщ фiзико-математичного напрямку, а науковщ техшчного напрямку поширю-ють розробки з врахуванням особливостей цього про-цесу. Так в робоп [1], розроблено алгоритм побудови хвильових полiв, якi генеруються рухомими осцилю-ючими навантаженнями в гетерогенному шаруватому пiвпросторi i пакетi шарiв. Виконано натурний експе-римент реeстрацii хвильових полiв, якi генеруються в основi магiстралi поiзного навантаження, що тдтвер-див висновки теоретичних дослiджень. Але складшсть полягае в тому, що збуджуваш хвильовi поля несуть в собi iнформацiю, з одного боку, про штегральш па-раметри рухомого складу, а з шшого - про параметри баластноi призми i Грунтового середовища, тому вони дають змогу аналiзувати характеристики на основi по-рiвняння, тобто виконувати яюсний аналiз.

В роботi [2] дослвджуеться стiйкiсть коливань дво-масового осцилятора, який рiвномiрно рухаеться по балщ моделi Бернуллi-Ейлера, що лежить на в'яз-ко-пружному пiвпросторi. Недолiком е те, що вводиться е^валентна жорстюсть пiвпростору i завдання зводиться до виршення задачi про коливання балки на одновимiрнiй основу оскiльки деформативнi характеристики колii е дуже слабким мкцем. Хоча принципово важлива вщмшшсть полягае в тому, що еквiвалентна жорсткiсть пiвпростору не е константою, а залежить вщ частоти i хвильового числа в балщ.

Дуже багато дослвджень присвячеш впливу дина-мiчних коливань коли на коливання Грунив та спо-руд, що знаходяться поруч. Вони, зазвичай, базуються на експериментах. Прикладом з визначення несучоi здатносп Грунтiв, може бути робота [3], де виконаш польов^ лабораторнi та теоретичнi дослiдження. У робоп виконанi розрахунки, на основi яких розро-блена методика розрахунку та прогнозування несучоi здатностi земляного полотна, вщсипаного барханними пiсками, що сприймають вiбродинамiчне навантаження. Також прикладом роби такого напрямку е робота [4], де розглянуто динамiчнi навантаження протя-гом сезошв та встановлено рiзницю характеристик вказаного процесу при рiзних станах Грунпв. Перевагою таких робiт е рiзноманiтнi дослiдження поводжен-ня конкретних Грунпв, але основним недолiком е не-можливiсть розповсюдження отриманих результапв на основи з iнших Грунив, iншi умови експлуатацii та iншi клiматичнi зони.

У зв'язку з постшною потребою збiльшення ваги вантажних поiздiв, швидкостей пасажирських поiздiв та пропускноi спроможностi залiзничних лiнiй, а також ввдсутносп вiльного простору в населених пунктах, тдвищення iнтенсивностi залiзничного транспортного шуму i вiбрацii може стати стльною екологiчною проблемою в майбутньому. Тому дуже багато дослщжень виконуеться в цьому напрямку. Так, в робоп [5] розглянуто цю проблему в рамках мкьких хорватських трамвайних та залiзничних лшш. В роботi [6] описано досягнення щодо зниження шуму та вiбрацii, що вико-нуються за програмою в Шмеччиш до 2020 р. В робо-тi [7] описано досввд гонконгських залiзничних мереж, протяжшсть яких сягае 211 км щодо планування та контролю за шумом у великих мктах. Щ роботи не дають удосконалення для розрахунку поширення ко-ливань ввд ди рухомого складу, але значно розширюють iнформацiю стосовно цих процесiв та '¿х вплив на оточу-

юче середовище. Крiм того, на '¿х пiдставi формуються критерii шуму та вiброзахисту.

Проблему забезпечення надiйноi роботи залiзнич-но' колii з точки зору обробки кнуючо' iнформацii та прогнозування на и пiдставi iмовiрностi ризикiв розглянуто в роботi [8]. Запропоновано тдвищення коефвдента готовностi коли за рахунок зниження ризиюв, що Грунтуеться на пiдвищеннi обiзнаностi та тдготовленосп до подiй. Але враховано ва майбутнi ризикованi подii пльки за спостереженням виходу елементiв верхньо' будови коли та змiни експлуатащ-йних умов. Для прогнозування необхщно враховувати поводження й нижньо' будови коли, адже вона мае найб^ьший термш служби, нiж всi елементи залiз-нично' колii. Отже, прогнозування буде мати похибки, якщо не забезпечувати однаковий стан земляного полотна при подальшш експлуатацп, але напрям сучасно розширюе поняття працездатного стану коли.

При вивченш коливань системи «екiпаж-колiя» сформовано два напрями дослiджень: вивчення коливань рухомого складу та вивчення коливань коли. Обидва напрямки вивчають коливання дослщного об'екта за умови, що партнер по взаемодп задаеться певним збуджуючим коливанням. Обидва напрямки не враховують вщклик партнера вщ взаемодп. Досль дження коливань з конструкцш верхньо' та нижньо' будови колii зводяться до вивчення коливань рейки при певних впливах рухомого складу та певних характеристиках тдрейково', а iнодi пiдшпальноi ос-нови. Результатами таких дослщжень е напружено-деформований стан, що характеризуе мщшсть та ви-тривалiсть. Коливання рухомого складу вивчаються б^ьш широко. Але при '¿х дослiдженнi коливання системи конструкцш верхньо' та нижньо' будов за-лiзничноi коли подають як набiр збуджуючих коливань. Функцii, що описують щ коливання, навiть не мають чико' залежностi вiд характеристик елеменпв системи конструкцiй верхньо' та нижньо' будов залiз-нично' коли.

1снуе декiлька основних теоретичних моделей для дослщження зазначених проблем: балка на твпросто-рi, балка на двошаровш основi, конструкцiя колii за канонами методу скшченних або граничних елеменпв. Так, в робот [9] розглянуто пiддатливiсть залiзничних лшш за допомогою моделi балки на пiвпросторi та за допомогою методу скшченних елеменпв. У роботi [10] порiвняно розрахунки вiбрацiй у метрополией, вико-наних для моделi, що описана за методом граничних елеменпв, та за запропонованим методом «труба в трубЬ». У запропонованому методi тунель стши та земля, що оточуе и, моделюються у виглядi двох концен-тричних труб з використанням засад теорп пружност континууму. Роботи [11, 12] е продовженням напрямку твердопльних дослiджень, що розвинут завдяки удо-сконаленню характеристик, отриманих за експеримен-тами та використанням методу скшченних елеменпв. В робот науковцiв унiверситету Лафборо (Велико-британiя) [13] зiбрано аналiз отриманих емтричних даних та надано ощнку моделей, що застосовуються при розрахунку коливань в основi колii вщ впливу рухомого складу, та рекомендацп щодо подальшого коригування моделей.

Типовi експериментальнi дослвдження зводяться до визначення станiв рухомого складу та коли в кон-

кретних перетинах, та ввдповвдност цих сташв нормативам.

Вивчення взаемоди рухомого складу та коли за до-помогою тензометричних пар дуже суттево розширюе можлившть оцiнки взаемоди коли та рухомого складу. Так в роботах [14, 15] наведено результати оцшки стану коли геометрично-силовим методом. Показано, що частина сходонебезпечних дшянок коли не вибра-ковують традицшними способами, як базуються на ощнщ геометричних параметрiв коли. За проведеним аналiзом перетини колii з низьким коефвдентом стш-костi проти сходу з рейок запропоновано розбити на три групи. Результати цих роби суттево уточнюють небезпечш стввщношення параметрiв коли та рухомого складу та звужують коло дослщжень.

Вщсутшсть нормативних критерив оцiнки стану колii за показниками надшност та функцiональноi безпеки спонукае до необхщност створення нових моделей, завдяки яким можливо дослщити динамiчний процес взаемоди залiзничноi колii та рухомого складу.

3. Цшь та задачi дослщження

Проведенш дослiдження ставили за мету створити модель для визначення процеав деформативно' робо-ти залiзничноi колii для подальшого дослiдження цих процесiв на предмет встановлення оцшочних умов функцюнально' безпеки залiзничноi коли.

Для досягнення поставлено' мети виршувалася наступна задача: описати особливост формування процесу деформативно' роботи залiзничноi колii шляхом врахування розповсюдження об'емних та поверх-невих хвиль в конструкцп систем верхньо' та нижньо' будов залiзничноi колii.

4. Матерiали та методи дослщження впливу ди рухомого складу на деформативну роботу заизнично! коли

4. 1. Основш теоретичнi положення i принципи, щодо опису особливостей деформативно! роботи

При дослiдженi процесу деформативност в системах конструкцш верхньо' та нижньо' будов залiзнич-но' коли необхiдно точне визначення цього процесу як в чаи, так i в просторi. Таким чином, необхщно правильно описати процес розповсюдження збуджень вщ рухомого складу, що протжае в зазначених елементах. Основш теоретичт положення i принципи щодо опису особливостей деформативно' роботи елементiв систе-ми конструкцш верхньо' та нижньо' будов залiзничноi колii полягають у наступному:

- питання вивчення динамжи суцiльних тш - це питання вивчення розповсюдження коливань в певних контактуючих обмежених середовищах;

- деформативна робота елементiв системи конструкцш верхньо' та нижньо' будов залiзничноi колii представляе собою роботу, що виконуеться при коли-вант суцiльноi системи;

- елементи системи конструкцш верхньо' та ниж-ньо' будов залiзничноi коли представляе собою систему сущльних тщ що мають властивостi властивiстю дисипаци;

- передача збуджень рухомого складу елементам системи конструкцiй верхньо' та нижньо' будов залiз-нично' коли передаеться за рахунок розповсюдження вшьних та вимушених коливань;

- при будь-яких початкових умовах рух точки про-тягом часу буде складатись тшьки з вимушених коливань, початковi умови вироджуються разом з вшьними коливаннями, яю поступово затухають;

- не звертаючи уваги на наявтсть опору руху, ви-мушенi коливання е гармотчними та вiдбуваються з частотою вимушених коливань, тобто частотою зов-тшньо' сили.

4. 2. Формування вихщних даних щодо опису особливостей деформативно!роботи

Завжди необхщно правильно сформулювати задачу та визначити вхщт даннi, отже вони впливають на результат. Тож до вхвдних даних належать:

- тип рухомого складу, його швидюсть та наванта-ження, що формують значення та мшця впливу джчо' сили;

- стан рейки та колеса, що формують площадку контакту та частоту iмпульсу зовшшньо' сили, яка характеризуе амплгтуду коливань;

- геометрiя кожного елементу та вид контакту для вах елементв, що характеризують геометрш розпов-сюдження коливань;

- характеристики елементiв конструкцп за мате-рiалами, з яких вони виготовлет (модуль пружностi, шдльшсть, коефiцiент Пуассона, коефiцiенти тертя та зчеплення, як самих матерiалiв, так i контактуючих пар, iмпеданс), що характеризують юльюсно процес розповсюдження коливань.

4. 3. Моделювання життевого циклу деформативно! роботи елементiв залiзнично!' коли

При моделюванш залiзнична колiя розглядаеться як просторова система об'ектв, що уявляе собою збор-ку елементiв конструкцп коли, яю характеризуються геометричними розмiрами i фiзичними властивос-тями, вщповщно до нормативно' лiтератури. Вплив рухомого складу описуеться даними, що мштять ш-формацiю про його величину, мшце та час дii. Розповсюдження хвильового процесу описано рiвнянням коливань ввд ди зовнiшньоi сили для певно' точки:

s(x,y,z,t) = Ае 2т х

xsm

иIю„ - — + а

2т

+ Bsin (<Ю + Р),

(1)

де А, В - амплиуди внутршшх вiдповiдно власних та вимушених коливань; Ь - коефiцiент опору середо-вища; т - маси, що задiянi в процесi деформування на кожний момент часу; ю, ю0 - частота впливу вщпо-вщно, зовнiшнього впливу та власна частота системи конструкцш верхньо' та нижньо' будов, на певний момент часу; Ф - величина затухання власних коливань за глибиною; а, Р - фази вщповщност зовшш-нiх та внутрiшнiх вщповщно власних та вимушених коливань.

Таким чином, постановка динамiчноi задачi по визначенню процесу деформативно' роботи залiзнич-

м

но1 коли зводиться до того, що в заданш областi О необхщно знайти поля напружень , деформацш перемiщень ui та щдльност pi що задовольняють рiв-нянням в будь-який момент часу t : - РУхУ:

У2и +-

1

£ -

' 1 - 2у " Н

- граничним умовам:

- залежностям Гуку:

® = jl(eij) = divu;

- залежностям Кошi:

Эи, Эt2

(2)

(3)

(4)

а тшьки вiд частини, що на даний час передала вплив збудника коливань на точку.

Окрiм того, при розгляданш тако'1 задачi буде вико-нано принцип Гюйгенса. Для визначення поводження системи конструкцш верхньо1 та нижньо1 будов коли обов'язковiсть виконання цього принципу е необхвд-ною. Згвдно принципу Гюйгенса, початкове збурюван-ня, локалiзоване у просторi, викликае в кожнш точцi простору вплив, локалiзований в часi, при цьому мае мшце поширення хвилi з передшм i заднiм фронтами хвиль. Зазначений принцип може виконуватись тшьки при розглядi чотирьох мiрного простору: змши об'ему в часi. Його врахування дасть можлившть розглядати процес деформативност в повному обсязi.

5. Результати дослщжень створення моделювання для дослщження деформативно! роботи залiзнично¡ колп

£у=1 К+^);

(5)

Рiшення рiвнянь за (2)-(8), приводять до системи рiвнянь щодо визначення складових перемiшення

- збереженню маси:

—+ pdivv = 0 . Эt Н

(6)

Одиничшсть рiшення досяга-еться шляхом формування почат-кових:

Ч=0 = Ф0(х,у^Х Эи =Фl(x,y,z);

(7)

эt

та граничних умов:

и, = £(х,у,^).

Э2и Э2и Э2и

Эх2 Эу2 Эz2 Э2и Э2и Э2и„

Эи диу

1

1

- 2у Эх 1 Э

ЭНх Эх

Эи.,

Эх2 Эу2 Эz2 1

ЭЧ ЭХ ЭХ _

Эх2 + Эу2 + Эz2 +1

( /

V V

Эх Эу

Эи.

Эz

(8)

По-перше, рiшення диференцiального рiвняння однозначно визначаються початковими умовами. Так, якщо розглядаеться коливання будь-яко1 точки певно1 дiлянки з системи конструкцш верхньо'1 та нижньо1 будов коли, то початковими умовами е вщсутшсть впливу рухомого складу. По-друге, при безперервнш змiнi початкових даних вщповщне рь шення змшюеться безперервно. Це означае, що при появi впливу рухомого складу, який буде спочатку на-ближуватись, а поим вщдалятися вiд будь-яко1 точки дшянки зазначено1 системи, будуть змшюватись по-чатковi данi щодо впливу рухомого складу вщ 11 пов-но1 вiдсутностi до максимальних значень i навпаки. За цими даними будуть змшюватись характеристики напружено-деформованого стану точки, яю призво-дять до змши деформативного процесу на дшянщ. По-трете, значення функцп в будь-якш точцi дiлянки системи залежить не вщ всiе1 сукупностi початкових даних, а тшьки вiд початкових даних вздовж частини початково! поверхнi впливу, яка вирiзаеться з загаль-но1 поверхнi впливу характеристиками, що виходять з точки. Тобто, змши характеристик точки дшянки залежать не вщ вае'1 поверхнi, по яко1 контактують колеса з рейкою або елементи конструкцп мiж собою,

- 2у Эу

1 _Э_' ^^

-2ц—^ Эz

ду

Эиу

ч Эх Эу

Эих Эиу —-+—у+

Эх Эу

z

Эuz ь— Эz

Эuz Эz

Эи.'

Эz ,

. РК , Р^х

+-—^

РЬу + рЬЭБу

рК + рЬЭsz

mvi

-рх«+р

ц Эt2 р Э2и

-рYg + Р

ц Эt2

Рр

ц Эt2 ;

(9)

де к - жорстюсть; Ь - коефпцент опору середовища; Xg, Yg, Zg - проекцп масово1 сили на вiдповiднi напрям-ки; X, ц, V - постiйнi Ляме; V - коефщент Пуассона.

Всi рiвняння належать до неоднорiдних диферен-цшних рiвнянь гiперболiчного типу другого порядку з частковими похщними. Вони мають одну послщов-нiсть розв'язання, тому далi наведено цю послщов-шсть, де складова за напрямком, вщносно яко1 йде розв'язання, позначена як j:

Э2uj Э2и. Э2uj Эх" + 9^ + ^"

^ к Ь Э8"'

Kg--б.---"

V j V Эt

ЭЧ Эt2

= ^1" (10)

Загальне ршення визначаеться як:

Э и" нэ-у. к Ь эк.

-Г =1 -+ Kg--Б.---"

э+2 ^ Эt2 6 V " V Эt

ь Э2у

ь ЭК"

V Эt

(11)

Эt2 ^ Эг ^ Vi у" = T(t)X(x)Y(y)Z(z);

залежносп незалежних змiнних визначаються з рiв-нянь:

рЭ^Щ) + k2т(t) = 0 ц Эt2 +kli(t) 0,

Э2Х(х)

Э2У(у) Эу2 "

Э2Z(z) Эz2

+ к2Х(х) = 0,

к4У(у) = 0,

+ к5^) = 0.

(12)

Остаточно:

V = (К§ + ^ - КтЧфт

Ум^ -т)

ТР

к1 =

п2(п2 +12) п2т2

C2t2

C2t2

(13)

uJ

] = |.

Далi в заданш областi О визначаються поля на-пружень о^, деформацш е^ та щiльностi р! на момент часу t для розглянутого штервалу At.

Порiвняно значення напружень в кромщ пiдошви та головщ рейки вiд впливу локомотиву ЧС8 при рус 155 км/год. на колт з рейками типу ШС60, скрь пленням типу КПП, щебеневим баластним шаром товщиною 0,4 м та земляним полотном ввдсипаним з суглинку отриманими за рiзними методиками та експериментом. За результатами кнуючих «Правил розрахунку коли на мщшсть i стшюсть» 'х величи-ни вiдповiдно становлять 102,42 та 106,84 МПа; за розрахунками методом скшчених елементiв - 153,32 та 145,7 МПа; за запропонованим методом - 159,47 та 145,9 МПа; за експериментом - 163,3 та 146,1 МПа.

При моделюванш запропонованим методом необ-хщно врахувати наступш особливостк

- довжина розглянуто' дшянки повинна бути не менше шж сума подвоеного добутку швидкостi розпов-сюдження хвилi за напрямком для найбшьш твердого матерiалу i часу ди сили в одному перетиш та довжинi дiлянки на яко' розглядаеться рух. Так для розгляду одного перетину коли довжина дшянки становить 25 м;

- для достатньо' точностi опису процесу шаг його просування мае складати 1 мм. Так для рейок порядок шагу виконання розрахунку становить 0,000001 с для баласту 0,0001 с;

- якщо розглядаеться рух деюлькох сил, що руха-ються в одному напрямку, то слщ розглядати тльки ту 'х юльюсть, що розташованi на довжинi добутку швидкост розповсюдження хвилi за напрямком для найбшьш твердого матерiалу i часу ди сили в одному перетиш;

- при розрахунках неможна вщкидати частини конструкци керуючись '' симетрiею, якщо вони роз-ташоваш на довжинi менш нiж добуток швидкост розповсюдження хвилi за напрямком для найбшьш твердого матерiалу i часу ди сили в одному перетиш.

Такий детальний опис процесу деформативност коли ввд дп рухомого складу дае можливiсть дослвджувати змiни, що вiдбуваються у коли з урахуванням траектори руху та характеристик екшажа i станiв само' коли. Та на

осшж цих дослвджень виявляти випадки порушення будь-яких умов безпечного пропуску поiздiв по коли.

6. Обговорення результаив дослщження щодо формування оцiночних умов взаемоди рейки та колеса при рус

Формування оцiночних умов необхiдно виконати на засадах теори надiйностi, так як функцюнальна безпека е '' складовою. Частково це було зроблено за рахунок аналiзу iснуючих нормативних документв [16]. Але додатково необхщно провести дослiдження щодо визначення умов при яких порушуються умови безпеки. Критерiями можуть виступати врахування трьох факторiв: можливост сходу колiсноi пари з ре-йок, стiйкiсть в подовжньому та поперечному напрямку залiзничноi коли.

Стосовно можливост сходу колiсноi пари з рейок можливi три варiанти руху: безпечний, небезпечний i вкрай небезпечний. Ступшь небезпеки сходу колеса з рейки можна характеризувати величиною ввдсташ ввд краю викружки на поверхш кочення рейки до краю по-верхнi кочення бандажа, що мае уклон 1/7. Безпечним е рух колеса, коли бандаж опираеться на головку рейки тею частиною, що мае уклон 1/20. Якщо колесо опи-раеться на рейку частиною бандажа з уклоном 1/7 рух е небезпечним, бо при цьому зростають горизонтальш поперечш сили взаемоди колеса i рейки та вщповщш деформаци. Рух е вкрай небезпечним при опиранш початком фаски з уклоном 1/1 бандажа так як при такому контакт вщбуваеться сход рухомого складу.

Використання методики розрахунку параметрiв де-формативност коли зi застосуванням теорп розповсюдження хвильового процесу при опии взаемоди коли та рухомого складу можна визначити при яких геоме-тричних, силових та швидюсних параметрах рухомого складу будуть мати мкце отримаш стввщношення, що характеризують подовжню стшюсть залiзничноi коли. Отже визначення таких стввщношень та порiв-няння за повною методикою визначення подовжньо' стшкост коли [17] надае межi для формування нормативно' бази з надшност та функцiональноi безпеки коли з урахуванням и деформативних особливостей.

Окрiм стiйкостi в подовжньому напрямку рейко-во'' коли необхщно враховувати поперечну стiйкiсть залiзничноi коли [18]. Вона залежить вщ дтчих на не' поперечних сил та вщ опору рейко-шпально' решiтки поперечному здвигу. Останнш залежить вiд характеристик i стану поверхонь пiдрейкових опор та середо-вища в якому вони знаходяться, а також вщ величини й характеру силового впливу на опори.

Осюльки з тдвищенням швидкостей руху поiздiв збшьшуються частоти та амплiтуди коливань баласт-ного шару, це призводить до зниження опору баласт-ного матерiалу здвигу. Для недопущення залишкових здвипв рейко-шпально' решiтки встановлено наступш вимоги до допустимих значень вщношень сил:

.Й-,

йв

а^ ,

(14)

де Йг-тах - найбшьше горизонтальне бокове наванта-ження вщ рейки на шпалу; Йв - середне значення вертикального навантаження вщ рейки на шпалу.

Допустимi значення вщношень для рiзних швидко-стей руху по1здiв становлять:

1) V< 120 км/год. |а1 = 1,4;

2) 120 < V < 170 км/год. = 1,1;

3) 170 < V < 200 км/год. (а^ = 1,05.

Отже, визначення таких стввщношень за наведе-ною методикою надае межi для формування норма-тивно1 бази з надiйностi колi1 з урахуванням 11 дефор-мативних особливостей. Та за умови використання методики розрахунку параметрiв деформативност колi1 зi застосуванням теорп розповсюдження хви-льового процесу при опии взаемодп колi1 та рухомого складу можна визначити, при яких геометричних, силових та швидюсних параметрах рухомого складу будуть мати мшце отримаш спiввiдношення, що харак-теризують поперечну стшюсть залiзнично1 колi1.

Цим зазначеним вище питанням i буде присвяче-но подальше дослiдження за розробленою моделлю щодо формування ощночних критерпв з надiйностi та функцюнально'1 безпеки залiзнично1 коли.

7. Висновки

Проведеними дослщженнями щодо створення мо-делi для визначення процесiв деформативно! роботи залiзничноï коли вiд впливу рухомого складу описано особливост формування процесу деформативно! роботи залiзничноï коли. Основною особливктю цього опису е розгляд процесу змiни напружено-деформо-ваного стану коли за певний промiжок часу. Тобто розглядаеться динамiчний процес, при якому ввдбу-ваються перемiщення коли вiд впливу горизонталь-них i вертикальних перемiщень колк щодо рейки за промiжок часу. Встановлено розмiри дослiджуваноï дiлянки та ввдсташ розташування сил, що необхщно враховувати при моделюваннi за допомогою методу розповсюджень об'емних та поверхневих хвиль. На основi розроблено! моделi та сформованих вимог щодо ощночних умов з функщонально! безпеки коли будуть проведет дослщження щодо визначення ощночних умов функщональшл безпеки залiзничноï коли.

Литература

1. Суворова, Т. В. К расчету волнового поля, возбуждаемого встречными осциллирующими нагрузками в гетерогенном полупространстве [Текст]: сб. тр. Всер. н.-т. конф. / Т. В. Суворова, С. А. Усошин // Транспорт-201, 2011. - С. 37.

2. Веричев, С. Н. Математические методы исследования устойчивости объекта, движущегося по упругой направляющей [Текст] / С. Н. Веричев // Вестник нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. - 2008. - № 4. - С. 117-121.

3. Корнилов, С. Н. Результаты экспериментального изучения прочностных характеристик барханных песков, слагающих железнодорожное земляное полотно [Текст] / С. Н Корнилов. Ш. Ш. Абдукамилов // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. -2015. - № 1. - С. 105-110.

4. Ling, X.-Zh. Field monitoring on the train-induced vibration response of track structure in the Beiluhe permafrost region along Qinghai-Tibet railway in China [Text] / X.-Zh. Ling, S.-J. Chen, Zh.-Y. Zhu, F. Zhang, L.-N. Wang, Z.-Y. Zou // Cold Regions Science and Technology. - 2010. - Vol. 60, Issue 1. - P. 75-83. doi: 10.1016/j.coldregions.2009.08.005

5. Lakusic, S. Rail traffic noise and vibration mitigation measures in urban areas [Text] / S. Lakusic, M. Ahac // Technical Gazette. -2012. - Vol. 19, Issue 2. - P. 427-435.

6. Schulte-Werning, B. Advancements in Noise and Vibration Abatement to Support the Noise Reduction Strategy of Deutsche Bahn [Text] / B. Schulte-Werning, B. Asmussen, W. Behr et al. // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. -2012 - Vol. 118. - P. 9-16. doi: 10.1007/978-4-431-53927-8_2

7. Lee, B. Planning and Controlling Railway Noise in a Metropolis: Jur Practical Experience [Text] / B. Lee, W. Chau, J. Lam, M. Yeung // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. 2012 - Vol. 118 - P. 17-23. doi: 10.1007/978-4-431-53927-8_3

8. Касимов, Б. Р. Методика прогнозирования состояния путевой безопасности [Текст] / Б. Р. Касимов // Промышленный транспорт Казахстана. - 2014. - Вып. 1. - С. 19-23.

9. Auersch, L. The Influence of the Soil on Track Dynamics and Ground-Borne Vibration [Text] / L. Auersch // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. - 2008. - Vol. 99. - P. 122-128. doi: 10.1007/978-3-540-74893-9_17

10. Hussein, M. F. M. Using the PiP Model for Fast Calculation of Vibration from a Railway Tunnel in a Multi-layered Half-Space [Text] / M. F. M. Hussein, H. E. M. Hunt, L. Rikse, S. Gupta, G. Degrande, J. P. Talbot et al. // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. - 2008. - Vol. 99. - P. 136-142. doi: 10.1007/978-3-540-74893-9_19

11. Lombaert, G. Ground-Borne Vibration due to Railway Traffic: A Review of Excitation Mechanisms, Prediction Methods and Mitigation Measures [Text] / G. Lombaert, G. Degrande, S. Francois, D. J. Thompson // Noise and Vibration Mitigation for Rail Trans. Sys. - 2008. - Vol. 126. - P. 253-287. doi: 10.1007/978-3-662-44832-8_33

12. Thompson, D. Railway noise and vibration: the use of appropriate models to solve practical problems [Text] / D. Thompson // 21st International Congress on Sound and Vibration. - Beijing, China, - 2014 - P. 1-16.

13. Avillez, J. Procedures for estimating environmental impact from railway induced vibration: a review [Text] / J. Avillez, M. Frost, S. Cawser, C. Skinner, A. El-Hamalawi, P. Shields // ASME 2012 Noise Control and Acoustics Division Conference, 2012. -P. 381-392. doi: 10.1115/ncad2012-1083

14. Коссов, B. C. Результаты эксплуатационных испытаний геометрически-силового метода оценки состояния пути [Текст] / B. C. Коссов, A. Л. Бидуля, О. Г. Краснов, М. Г. Акашев // Вюник Дшпропетровського нацюнального ушверситету зашзнич-ного транспорту iм. акад. В. Лазаряна. - 2013. - Вип. 5 (47). - С. 97-104.

15. Краснов, О. Г. Результаты оценки состояния пути диагностическим поездом геометрически-силовым методом [Текст] / О. Г. Краснов, М. Г. Акашев, А. В. Ефименко, Т. Ю. Некрасова // Путь и путевое хозяйство. - 2015. - Вип. 9. - С. 20-24.

16. Бондаренко, I. О. Формування оцшочних умов життевого циклу деформативно' роботи заизнично' коли [Текст] / I. О. Бон-даренко // Наука та прогрес транспорту. Вiсшик Дншропетровського шацюшальшого ушiверситету заизничного транспорту ¡м. акад. В. Лазаряна. - 2015. - Вип. 3 (57). - С. 107-117.

17. Альбрехт, В. Г. Бесстыковой путь и длинные рельсы [Текст] / В. Г. Альбрехт, В. Н. Лященко, С. П. Першин, В. Я. Шульга. -М.: Транспорт, 1963. - 214 с.

18. Вериго, М. Ф. Установление ном боковых динамических нагрузок подвижного состава по условию устойчивости пути поперечном сдвигу [Текст] / М. Ф. Вериго, С. С. Крепкогорский // Труды ЦНИИИ МПС. - 1962. - № 248. - С. 210-302.

-□ □-

Наведет методика та результати експе-риментальних дослиджень хвильового наван-таження на моделi верхньог будiвлi морських гидротехшчних споруд. Отримана розрахун-кова залежтсть для визначення рiвнодiючог вертикальног складовог хвильового наванта-ження на верхню будiвлю наскрiзного типу у дiапазот крутизни хвилi, дослидженог у екс-периментi. Наведен приклади розрахунку навантаження, що дослиджувалося

Ключовi слова: гiдротехнiчнi споруди наскрiзного типу; верхня бу^вля; вертикальна складова хвильового навантаження □-□

Изложены методика и результаты экспериментальных исследований волновой нагрузки на модели верхнего строения морских гидротехнических сооружений. Получена расчетная зависимость для определения равнодействующей вертикальной составляющей волновой нагрузки на верхнее строение сооружений сквозного типа в диапазоне крутизны волны, исследованной в эксперименте. Приведены примеры расчета искомой нагрузки

Ключевые слова: гидротехническое сооружение сквозного типа; верхнее строение; вертикальная составляющая волновой нагрузки -□ □-

УДК 627.51

|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.59889|

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛНОВОЙ НАГРУЗКИ НА ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

С. И. Рогач ко

Доктор технических наук, профессор Кафедра морских и речных портов, шельфовых сооружений, водных путей и их технической эксплуатации Одесский национальный морской университет ул. Мечникова, 42, г. Одесса, Украина, 65029 Е-mail: rostasice@ukr.net И. Н. Панова Кафедра энергетического и водохозяйственного строительства Одесская государственная академия строительства и архитектуры ул. Дидрихсона, 4, г. Одесса, Украина, 65029 Е-mail: panirina@meta.ua

1. Введение

Одним из направлений развития Украины, как свободного европейского государства, является достижение энергетической независимости. В связи с этим освоение новых месторождений нефти и газа и, соответственно, строительство морских гидротехнических сооружений на континентальном шельфе, является приоритетным направлением в экономике страны. Кроме того, европейская интеграция нашего государства, предполагающая расширение международных и внешнеторговых связей, требует усовершенствования и реконструкции существующих портов, а также строительства глубоководных и рейдовых причалов для обслуживания крупнотоннажных судов. Находясь на незащищенных акваториях, такие сооружения в полной мере испытывают силовое воздействие волновых нагрузок. Существенным внешним фактором, влияющим на верхнее строение перечисленных гидротехни-

ческих сооружений, является вертикальная составляющая волновой нагрузки, которая в настоящее время изучена недостаточно.

2. Анализ литературных данных и постановка проблемы

В действующих нормативных документах по определению нагрузок на гидротехнические сооружения [1] отсутствуют рекомендации по определению волновой нагрузки на верхнее строение морских гидротехнических сооружений сквозного типа, к которым относятся причалы эстакадного типа, морские нефтегазопромыс-ловые гидротехнические сооружения (МНГС) (рис. 1) и морские эстакады. Ввиду недостаточной изученности воздействия волн на верхнее строение перечисленных сооружений, отметка линии кордона рейдовых причалов назначается конструктивно, а отметка нижней ча-

©