CC BY
74
УДК 625.033.34 А. Ю. Антонов
О ВНЕСЕНИИ ИЗМЕНЕНИЙ В РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ПУТЬ ПО УСЛОВИЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕГО НАДЕЖНОСТИ
Дата поступления: 04.12.2018 Решение о публикации: 24.12.2018
Аннотация
Цель: Рассмотреть вопрос о необходимости внесения корректировок в «Методику оценки воздействия подвижного состава на путь по условию обеспечения его надежности» (далее - в Методику). Показать необходимость обновления заложенных в нее величин, которые оказывают влияние на параметры напряженно-деформированного состояния верхнего строения пути; определить возможность приведения данных величин в соответствии с современной конструкцией железнодорожного пути; внести изменения в расчетные формулы Методики, а также предложить проведение дополнительных мероприятий для обновления заложенных в Методику величин. Методы: Сравнение характеристик элементов верхнего строения пути, используемых в настоящее время, с теми, которые применялись при утверждении «Правил производства расчетов железнодорожного пути на прочность»; анализ аналитических выражений Методики и их корректировка. Результаты: Указана необходимость совершенствования параметров Методики. Установлено, какие расчетные формулы Методики требуют актуализации, вследствие изменений, произошедших в конструкции верхнего строения пути с момента первоначального определения значений данных величин. Для повышения достоверности результатов расчета следует учитывать большую вариативность условий эксплуатации железнодорожного транспорта. Выявлена необходимость в проведении дополнительного изучения приведенной массы железнодорожного пути. Практическая значимость: Показана необходимость уточнения значений приведенной массы пути, рекомендованных к применению в аналитических выражениях Методики. Их корректировка позволит повысить точность определения параметров напряженно-деформированного состояния верхнего строения пути. Предложенные изменения аналитических выражений Методики могут быть рекомендованы к практическому использованию.
Ключевые слова: Железнодорожный путь, взаимодействие пути и подвижного состава, динамическая нагрузка колеса на рельс, расчет пути на прочность, приведенная масса пути.
Anton Yu. Antonov, postgraduate student, antonov@pgups.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) ON INTRODUCTION OF CHANGES IN CALCULATION FORMULAS OF IMPACT ASSESSMENT METHOD OF THE ROLLING STOCK INFLUENCE ON THE TRACK BY THE CONDITION OF ITS RELIABILITY. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-1-31-36
Summary
Objective: To consider the question about correction necessity of the Method of evaluation of the rolling stock influence on the railway track by condition of its reliability (further - the Method). To show the need to update the values included in the Method, which affect the parameters of the stressstrain condition of the railway track superstructure; to determine the possibility of changing these values according to the modern railway track structure; to change formulas of the Method and suggest additional measures for renewing of the magnitudes in question. Methods: Comparison of the current railway track characteristics with those which were used in the Rules of the railway track strength calculation; analysis
of analytical expressions applied in the Method and their correction. Results: The necessity of improving the parameters of the Method was indicated. It was detected which of the formulas used in the Method require updating according to the changes of the elements of the railway track structure since the initial definition of the parameters of the given values. In order to increase the reliability of calculation results, a wide variability in the railway transport operating conditions is to be taken into account. The necessity to carry background study of the track equal mass was identified. Practical importance: The need to specify the values of the railway track equal mass, recommended to apply in analytical expressions of the Method was shown. The correction in question will improve the accuracy of determining the stress-strain condition parameters of the railway track superstructure. The proposed changes of analytical expressions might be recommended for practical use.
Keywords: Railway track, train-track interaction, dynamic wheel load on the rail, strength calculation of the railway track, equivalent track mass.
В 1914 г. отечественными учеными была разработана первая инструкция по определению нагрузок на железнодорожный путь и скоростей движения поездов в зависимости от типа верхнего строения пути. В дальнейшем она переиздавалась в 1925, 1931, 1936 и 1941 гг. [1]. После учреждения в начале XX в. Экспериментального института путей сообщения начали широко проводиться экспериментальные исследования по взаимодействию пути и подвижного состава. В 1944 г. проф. Г. М. Шаху-нянцем в учебнике [2] целый раздел был посвящен статическому и динамическому расчетам железнодорожного пути. Были предложены формулы для определения динамических реакций рельса в точке приложения переменной силы. В них учитывалось влияние непрерывных и изолированных неровностей пути на составляющие вертикальных сил, возникающих при движении подвижного состава по пути.
Позже проф. М. Ф. Вериго ввел теорию вероятности в расчет железнодорожного пути на прочность, так как вероятность одновременного совпадения наибольших возможных динамических сил близка к нулю. В работе «Взаимодействие пути и подвижного состава» [3] впервые были даны формулы, использованные при создании «Правил производства расчетов железнодорожного пути на прочность», а также произведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными, что позволило подтвердить достоверность применения таких формул на практике.
В 1972 г. под редакцией М. Ф. Вериго был выпущен труд «Динамические исследования пути и корректировка правил расчетов железнодорожного пути на прочность» [4], в котором принимались во внимание изменения условий эксплуатации и текущего содержания пути, произошедшие за два предыдущие десятилетия. Помимо этого в расчетные формулы был введен коэффициент а0, учитывающий характеристику элементов железнодорожного пути и равный отношению необрессоренной массы колеса т к сумме необрессоренной массы колеса тк и приведенной к контакту колеса и рельса массы пути тп:
тк + тп
До внесения корректировок в «Правила производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность» [5] предполагалось, что величина а0 может быть принята равной единице. Масса колеса принималась существенно больше приведенной массы пути тк >> тп. Однако затем выяснилось, что определение среднеквадратичного отклонения сил инерции необрессоренной массы, возникающих при качении колеса с плавной изолированной неровностью 8 для железобетонной шпалы, приводило к завышенным значениям, поскольку путь с железобетонными шпалами обладает более высокой жесткостью. Поэтому в формулы для расчета сил инерции необрессоренных масс было при-
ao =
нято решение ввести дополнительные коэффициенты а0 и а1
Основываясь на ряде теоретических и экспериментальных исследований [6-9], М. Ф. Ве-риго вывел формулы для определения приведенной массы железнодорожного пути (см. [4]). Рассматривалось взаимодействие четырехосного вагона на тележках типа ЦНИИ-Х3 при скорости движения 100 км/ч для пути с рельсами типа Р50 на деревянных шпалах (эпюра шпал 1840 шт/км) и щебеночном балластном слое толщиной 45 см. Были получены следующие значения масс элементов железнодорожного пути (в кг-с2/см): = 0,185, т° = 0,745, = 0,341. Для пути на деревянных шпалах приведенная масса пути тПш = 1,271 кг-с2/см.
Определение приведенной массы железнодорожного пути на железобетонных шпалах было выполнено с учетом ряда допущений. Из-за отсутствия необходимых экспериментальных данных приведенная масса объема грунта, участвующего во взаимодействии пути и подвижного состава, была принята равной массе, вычисленной для пути на деревянных шпалах. Масса балластного слоя была изменена с учетом погонного веса балласта, вызванного изменением расчетной толщины балластного слоя под шпалой с 45 до 50 см, и составила т° = 0,828 кг-с 2/см. Масса рель-сошпальной решетки с учетом веса железобетонной шпалы т^шр = 0,269 кг-с2/см. Сумма масс элементов пути с железобетонными шпалами оказалась равна тЖбш = 1,438 кг-с 2/см.
Таким образом, согласно полученному значению массы тп и известным тк, был определен коэффициент а0. Для пути на деревянных шпалах он составил 0,433, а для пути на железобетонных шпалах - 0,403.
Результаты этих исследований заложены и в действующую «Методику оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности» (далее - в Методику) [10]. Коэффициент а0 принимается равным 0,433 и 0,403 для любого расчетного случая (без учета изменений в толщине балластного слоя, типа промежуточного скрепления и мас-
сы элементов стыкового скрепления) на пути с деревянными и железобетонными шпалами соответственно.
Очевидно, что эти величины коэффициентов а0 и а1 нуждаются в корректировке, поскольку произошли значительные изменения в конструкции пути как в целом, так и ее элементов. Например, принятая М. Ф. Вериго в 1972 г. при внесении корректировок величина массы балластного слоя справедлива лишь для двух расчетных случаев: 45 см для пути на деревянных шпалах и 50 см для пути на железобетонных, что не совпадает с параметрами типовых конструкций элементов верхнего строения пути [11]. Кроме того, появились новые конструкции подрельсового основания, в том числе безбалластные. Эксперименты, дифференцированные по группам основных факторов, показывают, что при взаимодействии пути и подвижного состава масса пути, участвующая в соударении, изменяется в зависимости от многих факторов, например и вышеуказанных, весьма значительно [12-14]. Поэтому следует внести изменения в расчетные значения а0 и а1.
Поскольку, как показано выше, принятые в Методике значения коэффициента а0 справедливы лишь для одного расчетного случая - с определенными типом рельса, толщиной балластного слоя и отнесенным к колесу весом необрессоренных частей экипажа - необходимо в расчетные формулы Методики вместо коэффициента а0 ввести либо величины приведенной массы пути тп и массы необрессо-ренных частей экипажа тк, соответствующих конкретному расчетному случаю, либо вариативность значений как а , так и а . Масса т
0 1 к
определяется как отношение отнесенного к колесу весу q необрессоренных частей экипажа, кг (ее значения приведены для различных типов локомотивов и вагонов в табл. 1 Методики), к ускорению силы тяжести g = = 9,81 см/с 2:
g
Приведенная масса пути тп складывается из участвующих во взаимодействии колеса и рельса масс рельсошпальной решетки т балластного слоя т0 и слоя земляного по-
ршр
лотна m
.
гр
0 ,0,0 тп _ тршр + тб + тгр •
Учет массы необрессоренных частей экипажа и приведенной массы пути в расчетных формулах Методики производится через коэффициент а0:
т
\нк = 0,25 • Уп
2 •U
•а 0 =
= 0,735 • e •—
U т„
k тк + тп
S _ а0 • К •U • V2 •jq
ннк d2 ^k •U -3,26 • k • q
тк • К1 •U•V2
(тк + тп) • d2 •Jk •U -3,26 • k • q
1 см; е0 - расчетная глубина изолированной неровности на поверхности катания колеса, см; К - коэффициент, характеризующий степень неравномерности образования поверхности катания колес; д - отнесенный к колесу вес неподрессоренных частей, кг; V- скорость движения, км/ч; сС - диаметр колес, см.
Для практических расчетов целесообразно вводить переменное значение коэффициента а0 Тогда коэффициент а1 будет определяться как отношение коэффициента а0 для расчетной конструкции пути к величине адш, принятой для пути на деревянных шпалах:
«0 = . тк + тп
При замене коэффициента а0 на тк и тп при расчете среднеквадратических отклонений динамической нагрузки колеса на рельс от сил инерции, возникающих из-за наличия на поверхности катания колес плавных изолированных неровностей 8инк и непрерывных неровностей на поверхности катания колес 8ннк, формулы будут выглядеть следующим образом:
т
а
т + т„
а1 _
а
т
тк + тП
т + т„
тк + тп
, (3)
(1)
(2)
где т - необрессоренная масса колеса; тП'ш -приведенная масса пути на деревянных шпалах; т'п - приведенная масса расчетной конструкции пути.
Среднеквадратическое отклонение динамической нагрузки колеса на рельс 8нп от сил инерции неподрессоренных масс Р , возникающих при проходе изолированной неровности пути, с учетом выражения (3) будет определяться следующим образом:
8нп = 0,565-10-8 • а1 -р-ех
(4)
В (1), (2) и - модуль упругости рельсового основания, кг/см 2; к - коэффициент относительной жесткости рельса и рельсового основания, см-1; у - наибольший дополнительный прогиб рельса при вынужденных колебаниях катящегося по ровному рельсу колеса с изолированной неровностью на поверхности катания, отнесенный к глубине изолированной неровности на колесе, принятой равной
_ 0,565-i0-8 • тк±тТ х
тк + тП
xß-е-у/• ^ ^ V^ P.
Однако утяжелять формулу (4) величинами тк и тп не стоит. В соответствии с определяемым вариантом условий эксплуатации (параметры конструкции пути и подвижного состава) найти а1 можно через известные значения коэффициента а0. Следовательно, формула для определения 8 примет вид
5нп = 0,565-10-8-а1 - р-е-у/- -V -Р.
Здесь коэффициент а^ отличается от используемого в настоящее время в Методике а1 большей вариативностью значений. Коэффициенты в, у, а определяются в зависимости от типа рельса, рода балласта и материала шпалы.
Ранее этот вопрос рассматривался в статье [15]. К применению в расчетных формулах Методики были предложены уточненные коэффициенты а0 и а1. Численные значения коэффициентов были определены в зависимости от рода грунта при помощи метода конечных элементов для пути на деревянных и железобетонных шпалах.
Для уточнения параметров напряженно-деформированного состояния пути, возникающего при взаимодействии колеса и рельса, требуется скорректировать величины тп, а0 и а1, заложенные в Методику, которые изменяются только лишь в зависимости от типа шпал. Для лучшей достоверности результатов Методики оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности необходим учет вариативности эксплуатационных условий.
Библиографический список
1. Стоянович Г. М. Расчеты верхнего строения пути на прочность и устойчивость : курс лекций / Г. М. Стоянович. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2013. - 79 с.
2. Шахунянц Г. М. Устройство железнодорожного пути : учебник для вузов ж.-д. транспорта / Г. М. Шахунянц. - М. : Трансжелдориздат, 1944. - 481 с.
3. Вериго М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава / М. Ф. Вериго, А. Х. Ветченко, О. П. Ершков, С. Н. Попов, Б. Д. Хействер // Труды ВНИИЖТ. Вып. 97. - М. : Трансжелдориздат, 1955. -412 с.
4. Динамические исследования пути и корректировка правил расчетов железнодорожного пути на
прочность / под ред. М. Ф. Вериго // Труды ВНИИЖТ. Вып. 466. - М. : Транспорт, 1972. - 192 с.
5. Правила производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность / Воен. акад. тыла и транспорта. - Л. : Воен. Академия тыла и транспорта, 1964. - 49 с.
6. Шмидт К. М. Влияние массы пути на деформацию его при ударе колеса с подрессоренным грузом / К. М. Шмидт // Сб. НИИ пути и путевого хозяйства. - М. : Трансжелдориздат, 1941. -С. 87-109.
7. Попов А. А. К вопросу о динамическом воздействии колеса на рельс при прохождении неровности пути / А. А. Попов // Труды ЦНИИ МПС. Вып. 33. - М. : Трансжелдориздат, 1949. -121 с.
8. Мендель В. Б. Взаимодействие электровоза и пути / В. Б. Мендель. - М. : Трансжелдориздат, 1956. - 334 с.
9. Гасанов А. И. О приведенной массе пути / А. И. Гасанов // Вестн. ЦНИИ МПС. - 1968. - № 6. -С. 52-53.
10. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности. - Утв. МПС РФ № ЦПТ-52/14 от 16 июня 2000 г. - М. : МПС РФ, 2000. - 40 с.
11. СП 119.13330.2012. Железные дороги колеи 1520 мм. - Актуализир. ред. СНиП 32-01-95. -Утв. Министерством регионального развития РФ № 276 от 30 июня 2012 г. - М. : ФАУ «ФЦС», 2012. -52 с.
12. Вериго М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава / М. Ф. Вериго, А. Я. Коган. - М. : Транспорт, 1986. - 559 с.
13. Шахунянц Г. М. Железнодорожный путь : учебник для вузов ж.-д. транспорта. - 3-е изд., пе-рераб. и доп. / Г. М. Шахунянц. - М. : Транспорт, 1987. - 479 с.
14. Яковлев В. Ф. Путь и путевое хозяйство промышленных железных дорог / В. Ф. Яковлев, Б. А. Евдокимов, В. Е. Парунакян, А. Н. Перцев. -М. : Транспорт, 1990. - 341 с.
15. Рыбкин В. В. О корректировке правил расчетов железнодорожного пути на прочность / В. В. Рыбкин, И. А. Бондаренко // Вестн. Белорус. гос. ун-та транспорта. Наука и транспорт. - 2004. - № 2 (9). -С. 42-44.
References
1. Stoyanovich G. M. Raschety verkhnego stroe-niya puti na prochnost i ustoychivost [Calculations for strength and stability of the superstructure]. Khabarovsk, Far Eastern State Transport University Publ., 2013, 79 p. (In Russian)
2. Shakhunyants G. M. Ustroystvo zheleznodoro-zhnogo puti: uchebnik dlya vuzov zh. d. transporta [Construction of the track: textbook for universities of railroad transport]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1944, 481 p. (In Russian)
3. Verigo M. F., Vetchenko A. Kh., Ershkov O. P., Popov S. N. & Kheystver B. D. Vzaimodeystvie puti i podvizhnogo sostava [Track and rolling stock interaction]. Trudy VNIIZhT [VNIIZhT Proceedings]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1955, issue 97, 412 p. (In Russian)
4. Dinamicheskie issledovaniya puti i korrektirovka pravil raschetov zheleznodorozhnogo puti na prochnost [Dynamic analysis of the track and adjustment of design rules for track strength]. Ed. by M. F. Verigo. Trudy VNIIZhT [VNIIZhTProceedings]. Moscow, Transport Publ., 1972, issue 466, 192 p. (In Russian)
5. Pravila proizvodstva raschetov verkhnego stroe-niya zheleznodorozhnogo puti na prochnost [Calculation rules for strength of track structure]. Leningrad, Military Academy of Transport and Logistics Publ., 1964, 49 p. (In Russian)
6. Shmidt K. M. Vliyanie massy puti na defor-matsiyu ego pri udare kolesa s podressorennym gruzom [The influence of track load on its deformation when hit by a wheel with spring-borne load]. SbornikNII puti i putevogo khozyaystva [Coll. Papers of Research Institute for Track and Track Facilities]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1941, pp. 87-109 (In Russian)
7. Popov A. A. K voprosu o dinamicheskom vozdey-stvii kolesa na rels pri prokhozhdenii nerovnosti puti [On dynamic impact of the rail on the wheel when passing track irregularity]. Trudy TsNII MPS [Proceedings the Ministry of Railways Central Scientific Research Institute]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1949, issue 33, 121 p. (In Russian)
8. Mendel' V. B. Vzaimodeystvie elektrovoza iputi [Electric locomotive and track interaction]. Mos-
cow, Transzheldorizdat Publ., 1956, 334 p. (In Russian)
9. Gasanov A. I. O privedennoy masse puti [On adjusted track load]. Vestnik TsNII MPS [Bulletin the Ministry of Railways Central Scientific Research Institute], 1968, no. 6, pp. 52-53. (In Russian)
10. Metodika otsenki vozdeystviya podvizhnogo sostava na put po usloviyam obespecheniya ego nade-zhnosti [The assessment method of the rolling stock influence on the track by its reliability control conditions]. Utv. MPS RF no. TsPT-52/14 [Appr. by the Ministry of Railways of the Russian Federation no. TsPT-52/14, dated 16th, June 2000]. Moscow, The Ministry of Railways of the Russian Federation Publ., 2000, 40 p. (In Russian)
11. SP 119.13330.2012. Zheleznye dorogi kolei 1520 mm. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 32-01-95 [Set of rules 119.13330.2012.1520 mm gauge railroads. Revised edition of SNiP (Construction rules and regulations) 32-01-95]. Utv. Ministerstvom regional'nogo razvitiya RF N 276 [Appr. by the Ministry of Regional Development of the Russian Federation no. 276, 30th, June 2012]. Moscow, Federal Center for regulation and standardization Publ., 2012, 52 p. (In Russian)
12. Verigo M. F. & Kogan A. Ya. Vzaimodeystvie puti i podvizhnogo sostava [The rolling stock and track interaction]. Moscow, Transport Publ., 1986, 559 p. (In Russian)
13. Shakhunyants G. M. Zheleznodorozhnyy put [The railway track]. Uchebnik dlya vuzov zh.-d. transporta [Textbook for universities of railway transport]. 3d ed., rev. and enl. Moscow, Transport Publ., 1987, 479 p. (In Russian)
14. Yakovlev V. F., Yevdokimov B. A., Paruna-kyan V. Ye. & Pertsev A. N. Put iputevoe khozyaistvo promyshlennykh zheleznykh dorog [Track and track facilities of industrial railroads]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1990, 341 p. (In Russian)
15. Rybkin V. V. & Bondarenko I. A. O korrektirovke pravil raschetov zheleznodorozhnogo puti na prochnost [On the adjustment of design rules for the railway track strength]. VestnikBelorusskogo gosudarstvennogo uni-versiteta transporta. Nauka i transport [Bulletin of the Belarusian State University of Transport. Science and transport], 2004, no. 2 (9), pp. 42-44. (In Russian)
АНТОНОВ Антон Юрьевич - аспирант, antonov@pgups.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
