CC BY
52
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
ЗАЛ1ЗНИЧНА КОЛ1Я
УДК 625.1"401.4"-047.58
I. О. БОНДАРЕНКО1*
1 Каф. «Колш та колшне господарство», Дшпропетровський нацюнальний ушверситет затзничного транспорту 1мен1 академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Укра!на, 49010, тел./факс +38 (056) 373 15 42, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4717-3032
ОСОБЛИВОСТ1 ПРОЦЕСУ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ КОЛИВАНЬ ПРИ ДЕФОРМАТИВН1Й РОБОТ ЗАЛ1ЗНИЧНО1 КОЛП
Мета. Наукова робота мае за мету визначення основних законом!рностей процесу розповсюдження ко-ливань ввд збуджень рухомого складу в систем! конструкцш верхньо! та нижньо! будов зал!знично! коли для дослщження розвитку процейв деформативносп як основи створення нормативно! бази роботи коли за умов забезпечення надшносп зал1зниць. Методика. Для досягнення мети використано засади теорш пружносп та розповсюдження хвильового процесу при опий взаемоди коли та рухомого складу. Результата. Встановле-но, яш види коливань та яку систему необхщно використовувати при розгляд! процесу коливань при дефор-мативнш робот зал1знично! коли. Визначено загальний вид функцп перемщень. Наукова новизна. Обгрун-товано теоретичш положення та принципи розгляду коливань системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов кол!!, що збуджуються рухомим складом. Це дозволить дослвдити процес деформативно! роботи зазна-чено! системи, при якому в!дбуваються змши Г! стан!в протягом деякого напрацювання, що, в свою чергу, дозволить визначити параметри функционально! над!йност! руху по!зд!в як складово! безпеки пропуску рухомого складу по дшянщ кол!! !з урахуванням !"! техшчного стану. Практична значимiсть. Зазвичай для безпечного пропуску рухомого складу визначаються параметри процесу коливань системи «екшаж - кол^я». 1снуюч! модел! або дуже ретельно розглядають коливання рухомого складу при узагальнених характеристиках системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов зал!знично! кол!!, або розглядають квазщинам!чш коливання рейок при загальних характеристиках тдрейково! основи. Такий розгляд процесу коливань, що збуджуються рухомим складом та передаються на вй елементи систем конструкцш верхньо! та нижньо! будов зал!знично! кол!!, не дае можливосл визначення аш параметр!в над!йност! елемент!в систем конструкцш кол!!, аш параметр!в функционально! над!йност! руху по!зд!в (як складово! безпеки пропуску рухомого складу по д!лянщ кол!! !з урахуванням и техн!чного стану). Тому для розглядання питань !з надшно! роботи еле-мент!в системи конструкц!й верхньо! та нижньо! будов зал!знично! кол!! запропоновано основн! засади розглядання процесу !! деформативно! роботи. Це дасть можливють розглядати безпосередньо динам!чний процес, локал!зований як у час!, так ! в простор!.
Ключовi слова: моделювання; тверде тшо; суц!льне середовище; деформативна робота; вимушеш коливання; в!льн! коливання; хвильове розповсюдження; частота коливань; надшшсть кол!!; дисипатившсть
Вступ
Коливальним рухом або просто коливання-ми називають будь-який рух або змшу стану, що характеризусться повторюванютю в чай значень ф1зичних величин, яю визначають цей рух або стан.
Оскшьки тша е не «абсолютно твердими», то будь-який вплив на них передаеться не мит-тево в уй точки, а за законами ф1зики з певною швидюстю, тобто вщповщно певному процесу розповсюдження коливань.
Деформативна робота елеменпв конструкцш верхньо! та нижньо! будов зал1знично! коли
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
е роботою, виконаною при коливаннi системи тiл, складених з середовищ iз певними характеристиками.
Питання вивчення динамiки системи тш зво-диться до питання вивчення розповсюдження коливань в певних контактуючих обмежених середовищах.
З процесом розповсюдження коливань зу-стрiчаються при вивченнi дуже рiзних явищ: звук, свiтло, змшний струм, хитання маятника, сейсмiчнi хвит та iншi. Всi перелiченi явища рiзнi, але iснуе спiльнiсть закономiрностей цих явищ та математичних методiв !х дослiдження [9, 12, 13].
При вивченш коливань системи «екшаж-колiя» сформовано два напрями дослщжень: вивчення коливань рухомого складу та вивчення коливань коли. Обидва напрямки вивчають коливання дослiдного об'екту за умови, що партнер по взаемодп задаеться певним збу-джуючим коливанням. Обидва напрямки не враховують вiдклик партнера вiд взаемодп.
Дослщження коливань з конструкцiй верхньо! та нижньо! будови коли зводяться до вивчення коливань рейки при певних впливах рухомого складу та певних характеристиках тд-рейково!, а iнодi пщшпально!, основи. Результатами таких дослщжень е напружено-деформований стан, що характеризуе мщшсть та витривалiсть.
Коливання рухомого складу вивчаються ширше. Але при !х дослiдженнi коливання системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов залiзнично! коли представляють як набiр збу-джуючих коливань. Функци, що описують цi коливання, навiть не мають ч^ко! залежностi вiд характеристик елеменпв системи конструк-цiй верхньо! та нижньо! будов залiзнично! коли.
Експериментальш дослiдження зводяться до визначення сташв рухомого складу та коли в конкретних перетинах [10] та вщповщносп цих сташв нормативам. Вивчення взаемодп рухомого складу та коли за допомогою тензомет-ричних пар не набуло розвитку з причин необ-хщносп розробки нових пiдходiв, методiв i па-раметрiв оцiнки цього процесу та вiдсутностi задач, що спонукають для розробки нових впроваджень. У той же час сучасш методи зйо-мки просторово! геометри колi! [14] дозволя-ють отримувати вс данi стосовно розташуван-
ня колi!, але вони не використовуються для на-укових дослщжень.
У всiх виданнях, що присвячеш коливанням системи «екшаж-колiя», зазначено, що коли-вання рухомого складу приносять багато збит-юв. Вони призводять до розладiв колi!, пору-шують плавнiсть ходу, iнодi можуть призвести до сходу екшажу з рейок. Коливання екшажу зумовлюються багатьма причинами: нерiвнос-тями колi!; нерiвнопружнiстю рейкових опор; режимом тяги та !! силою; нерiвностями на колесах рухомого складу.
Види та розмах коливань рухомого складу, !х наростання або згасання залежать як вщ конструктивних особливостей рухомого складу, так i систем конструкцш верхньо! та нижньо! будов залiзнично! коли. При цьому дос дослщжуються нерiвностi рейок, як першопри-чини цих коливань, але з точки зору появи не-рiвностей як абразивного, так i адгезивного зносу рейок.
Вважаеться, що резонанснi явища в рейщ мiж сумiжними колесами вiзкiв при динамiчнiй взаемодi! ходових частин з верхньою будовою коли виникають завжди, але вони е лише необ-хiдною, але не достатньою умовою утворення та подальшого розвитку хвилеподiбних нерiв-ностей при експлуатаци. Достатньою умовою для утворення хвилеподiбних нерiвностей рейок е експлуатащя на дiлянцi колi! однотипного рухомого складу у вузькому дiапазонi швидко-стей руху, що включае резонансш швидкостi руху [1]. Навт методи боротьби з цим явищем пропонують за рахунок застосування розрахун-кових iнтервалiв оптимальних швидкостей руху, при яких вiдсутнi резонансш швидкосп. Оскiльки вважаеться, що наявшсть резонансних швидкостей руху е основною умовою утворен-ня хвилеподiбних нерiвностей при динамiчнiй взаемодi! рухомого складу i колi! [1]. При цьому не даеться обгрунтування, чому таю заходи по змш експлуатацiйних умов системи конс-трукцi! верхньо! та нижньо! будов залiзнично! колi! не призведуть до змши характеристик у зазначенш системi i до тих же проблем, з якими проводилась боротьба.
Тому необхщно провести дослщження про-цесу розповсюдження коливань при деформа-тивнш роботi систем конструкцш верхньо! та нижньо! будов залiзнично! коли. 1снуе декiлька основних теоретичних моделей для дослщжен-
Шука та пpoгpec тpaнcпopтy. Bicnm Днiпpoпeтpoвcькoгo нaцioнaльнoгo yнiвepcитeтy зaлiзничнoгo тpaнcпopтy, 2015, № 5 (59)
ня зaзнaчeниx пpoблeм: балка на пiвпpocтopi, балка на двoшapoвiй ocнoвi, кoнcтpyкцiя кoлiï за казнами мeтoдy кiнцeвиx aбo гpaничниx eлeмeнтiв. Aлe цi мeтoди нe дoзвoляють oтpи-мати дaнi щoдo eкcплyaтaцiйнoï нaдiйнocтi то-лiï, тoмy пpoпoнyeтьcя iнший пiдxiд при дocлi-джeннi poбoти кoлiï.
Мета
Мeтoю дocлiджeння e визнaчeння ocнoвниx зaкoнoмipнocтeй пpoцecy poзпoвcюджeння то-ливань вiд збyджeнь pyxoмoгo складу у cиcтeмi кoнcтpyкцiй вepxньoï та нижньoï бyдoв зaлiз-ничш1' кoлiï для дocлiджeння poзвиткy opo^^ дeфopмaтивнocтi як ocнoви cтвopeння вдрма-тивнoï бази poбoти кoлiï за yмoв зaбeзпeчeння нaдiйнocтi зaлiзниць.
Методика
B тeopeтичнiй мexaнiцi poзглядaють мexaнi-чш кoливaння, якi дyжe piзнoмaнiтнi за cвoeю пpиpoдoю. Рoзpiзняють вiльнi, вимyшeнi, пара-мeтpичнi кoливaння, aвтoкoливaння та piзнi випадки змiшaниx кoливaнь.
^ливання, щo виникають в cиcтeмi, ж шд-дaнiй дiï змiнниx зoвнiшнix сил, в peзyльтaтi бyдь-якoгo пoчaткoвoгo вiдxилeння цieï сисге-ми вщ стану cтiйкoï piвнoвaги, називають вшь-ними. Biльнi кoливaння зyмoвлeнi дieю сил вщ-нoвлeння: пpyжниx сил, щo пpoпopцiйнi зм> щeнню та нaпpaвлeнi дo пoлoжeння piвнoвaги. Ежрпю в таку cиcтeмy бyлo вклaдeнo oдин раз, пiд час тимчacoвoгo зoвнiшньoгo збypeння.
Bимyшeнi кoливaння, толивання, щo виникають в будь-якш cиcтeмi пiд дieю змiннoï зoв-нiшньoï сили. Eнepгiя в систему пocтyпae чepeз зoвнiшню силу.
Пapaмeтpичнi кoливaння — цe ocoбливий тип вимyшeниx кoливaнь, вiдpiзняeтьcя тим, щo зoвнiшня сила пepioдичнo зaмiнюe який-нeбyдь фiзичний пapaмeтp cиcтeми (наприклад, масу маятника, дoвжинy йoгo шдвюу, тaкe ш-шe). Eнepгiя пocтyпae дo cиcтeми чepeз зoвнiш-ню силу, aлe зaлeжнo вiд фaзoвиx стввщш-шeнь зoвнiшня сила aбo викoнye дoдaтнy po6o-ту, тoдi aмплiтyдa кoливaнь зpocтae, aбo вщ'шну — тoдi aмплiтyдa змeншyeтьcя.
Aвтoкoливaння — цe нeлiнiйний кваз^рю-дичний pyx, щo виникae у cиcтeмi внacлiдoк caмoзбyджeння, за yмoв вщсутшст зoвнiшньoï
сили. Характер aвтoкoливaння визнaчaeтьcя cтpyктypoю кoливaльнoï сисгеми та пoбyдoвoю внyтpiшньoгo джepeлa та cиcтeми звopoтнoгo зв'язку. Цi толивання нe загасають з чacoм, xoч у cиcтeмi e cyттeвi втрати e^pni', якi тамген-суються тим, щo дo cиcтeми пopцiями нaдxo-дить eнepгiя вiд внyтpiшньoгo джepeлa, якe e чacтинoю cиcтeми. Aвтoкoливaння caмi pe^-люють пepioдичнicть нaдxoджeння та кiлькicть eнepгiï, яка кoмпeнcye втрати чepeз дисипатив-нi npo^ca
Якщo при кoливaнняx нe вiдбyвaeтьcя poз-ciювaння eнepгiï, тo система мae назву тон^р-вативна та толивання мають нeзгacaючий xapa-кгер. Якщo ж при кoливaнняx вiдбyвaeтьcя poз-ciювaння eнepгiï, тo cиcтeмa нeкoнcepвaтивнa. Heкoнcepвaтивнi cиcтeми пoдiляютьcя на диси-пaтивнi cиcтeми, в якж пoвнa eнepгiя з чacoм змeншyeтьcя, та aвтoкoливaльнi cиcтeми, в якж eнepгiя нaдxoдить дo cиcтeми вщ внут-piшньoгo джepeлa. Для poзглядy peaльниx ф> зичниx cиcтeм застошвують нeкoнcepвaтивнi cиcтeми. Якщo poзглядaти толивання cиcтeми кoнcтpyкцiй вepxньoï та нижньoï бyдoв зaлiз-ничнoï кoлiï, то нeoбxiднo poзглядaти ram^e-рвативну дисипативну cиcтeмy, дe мають мicцe вшьш та вимyшeнi кoливaння.
Результати
B зoнi кoнтaктy кoлeca з peйкoю виникають сили F , щo пepeдaютьcя як pyxoмoмy складу, так i ^CT^i кoнcтpyкцiй вepxньoï та нижньoï бyдoв кoлiï. За тpeтiм зaкoнoм Hьютoнa зна-чeння ïx oднaкoвi, aлe напрям пpoтилeжний. Таким чивдм, якщo oбидвa учасники ^такту (pyxoмий склад i cиcтeмa з тон^рук^й вepx-ньoï та нижньoï бyдoв зaлiзничнoï бeзcтикoвoï кoлiï) були б Дальними та твepдими, то ж бу-лo б толивань aнi pyxoмoгo складу, aнi caмoï cиcтeми. Tiльки нaявнicть сил rnep^ï (щo виникають внacлiдoк нeдocкoнaлocтi cиcтeми з кoнcтpyкцiй вepxньoï та нижньoï бyдoв зaлiз-ничнoï толп, кoлic та кoливaння нeoбpecopeниx мас) e джepeлoм кoливaнь i pyxoмoгo складу, i cиcтeми з т^трук^й. Цe вiдбyвaeтьcя вна-cлiдoк змши кoнтaктyючиx сил, щo стають за-лeжними вiд сил iнepцiï та чepeз цe мають змiннi знaчeння. У зв'язку з цим пружш ^ora-ни cиcтeми з тон^рук^й s вiд впливу кoлic pyxoмoгo складу e змiнними. Таким чишм ic© I. G. Бoндapeнкo, 2015
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
нують швидкiсть та прискорення перемiщень системи з конструкцiй верхньо! та нижньо! будов затзнично!коли.
Зазвичай в практичних розрахунках вважа-ють, що сила шерци пов'язана з коливаннями необресорено! маси колеса тк та коливань ма-си системи з конструкцiй тзк , якi пропорцiйнi мiж собою та сконцентроваш в точцi контакту:
Значення коефiцiента пропорцiйностi азк рекомендують приймати для колi! з де-рев'яними шпалами а зк = 1,31, для коли з зал> зобетонними шпалами — а зк = 1,48 [4]. Значення мас коли з дерев'яними шпалами ^ = Ае тзк = 1,52 кНс2/м [5].
Виникаючу силу шерци визначають як:
Ргн =(1 + азк )тк Я .
Крiм вказаних сил шерци, в системi конструкцш верхньо! та нижньо! будов затзнично! колi! дiють сили опору. Вони в свою чергу по-д^ються на пружнi, що мають назву сили вщ-новлення
ЕГ = кя ,
де к - жорстюсть; а дисипативш, до яких вiд-носяться:
сили тертя, що залежать тiльки вiд ха-
рактеристик контактуючих поверхонь
Ргр = IV ,
де / - коефщент тертя; V - швидюсть
перемiщення;
— сили в'язкого тертя
ЕГР = bV
де Ь - коефiцiент опору середовища. Загальне рiвняння руху мае вигляд:
^ - кя - Ь--/— = т
^ = ГА 81п юt ,
й2 я
(1)
- коливаеться вiд 0 до п, та за цей час ^ , що залежить вiд швидкостi руху, контактна площа взаемодп колеса та рейки передае весь цикл впливу на колда: тиск з'являеться, посту-пово збшьшуеться до максимального та згасае.
Основною перевагою застосування теори розповсюдження коливань порiвняно з юную-чими теорiями е наявнiсть чiткого значення мас т, що задiянi в процес деформування на кож-ний момент часу.
Пiд час розв'язання рiвняння (1) застосова-но метод спещально! право! частини та метод невизначених коефщенпв, за якими отримано залежшсть прогинiв:
ы
(
81П
Л
ю2 -
2т
а
Вяп( + р), (2)
де ГА - максимальне значення сили при дi! рухомого складу на колда, тобто !! амплiтуда;
де ю0 - власна частота системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов, на певний момент часу; А , В - ампттуди внутршшх власних та вимушених коливань вщповщно; а , в - фази вщповщносп зовнiшнiх та внутрiшнiх власних та вимушених коливань вщповщно.
Таким чином, власш коливання е затухаю-чими. А коливання, що встановилися, е синусо-!дальнi. I як зазначено у [2, 3], вони е сферич-ними хвилями.
Враховуючи особливосп контакту колеса з рейкою, а саме нерiвномiрнiсть розташування напружень, для формування коректних умов навантаження [2, 3], що адекватно описують реальш умови, було вивчено дiючi стандарти та сучасш дослiдження [6—8, 11, 15]. Тому площа контакту розбиваеться спочатку на полоси, яю в свою чергу роздшено на д^нки. На кожну дiлянку прикладаеться сила, що адекватно опи-суе змiну напружень за час контакту. Таким чином, на поверхш катання рейки задаються навантаження вщ рухомого складу в кожний момент часу. Та за рiвнянням (1) iз застосуван-ням залежностi перемiщень (2) та принципу суперпозици визначаються параметри дефор-мативносп. Площi контактiв та навантаження на них для шших елементiв формуються проце-сом розповсюдження хвиль, але пщхщ опису розповсюдження залишаеться таким же. Крiм опису вiльних та вимушених збуджуючих ко-ливань, процес розповсюдження включае той же пщхщ для опису вщображених коливань.
2
Наука та прогрес транспорту. Вкник Днiпропетровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
Наукова новизна та практична значимкть
Обгрунтовано теоретнчш положення { прин-ципи для розгляду коливань системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов коли, що збу-джуються рухомим складом, яю дозволять до-слщити процес деформативно! роботи зазначе-но! системи, при якому вщбуваються змши !! сташв протягом деякого напрацювання, що в свою чергу дозволить визначити параметри функцюнально! надшносп руху по!зд!в, як складово! безпеки пропуску рухомого складу по д!лянщ коли з урахуванням !! техшчного стану.
Зазвичай для безпечного пропуску рухомого складу визначаються параметри процесу коли-вань системи «екшаж - кол1я». 1снуюч1 модел1 або дуже ретельно розглядають коливання ру-хомого складу при узагальнених характеристиках системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов затзнично! коли, або розглядають кваз> динашчш коливання рейок при загальних характеристиках тдрейково! основи. Такий розгляд процесу коливань, що збуджуеться рухомим складом та передаеться на вс елементи систем конструкцш верхньо! та нижньо! будов зал1з-нично! коли, не е можливост визначення аш параметр1в надшносп елеменпв системи конструкцш коли, аш параметр1в функцюнально! надшност руху по!зд!в, як складово! безпеки пропуску рухомого складу по дшянщ коли з урахуванням и техшчного складу. Тому для розгляду питань з надшно! роботи елеменпв системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов затзнично! коли запропоновано основш засади розглядання процесу !! деформативно! роботи, що дають можливють розглядати безпосеред-ньо динам1чний процес локатзований як в чай, так{в простора
Висновки
Об!знанють в процесах взаемодп коли та рухомого складу призводить до розглядання нових задач. Одним з нових аспектов цього процесу е розв'язання задач надшносп коли. Складовою надшност коли е функцюнальна безпека коли. Таким чином, напрямок досль джень е актуальним, але таким, що потребуе нового тдходу при виршенш поставлено! про-блеми { не може застосовувати юнуюч! модел1 для и виршення.
При дослщжеш процесу деформативносп в елементах системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов затзнично! коли необхщне точ-не визначення цього процесу як в чай, так 1 в простор!. Таким чином необхщне правильно описати процес розповсюдження збуджень вщ рухомого складу, що протшае в зазначених елементах. Основш теоретичн! положення { принципи щодо опису особливостей деформативно! роботи елеменпв системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов зал!знично! кол!! полягають у такому:
— питання вивчення динамши суцшьних тш — це питання вивчення розповсюдження коливань в певних контактуючих обмежених се-редовищах;
— деформативна робота елеменпв системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов зал> знично! кол!! е роботою, що виконуеться при коливанш суцшьно! системи;
— елементи системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов затзнично! коли е системою суцшьних тш, що володдать властивютю диси-паци;
— передача збуджень рухомого складу елементам системи конструкцш верхньо! та нижньо! будов затзнично! коли передаеться за рахунок розповсюдження вшьних та вимуше-них коливань;
— при будь-яких початкових умовах рух точки протягом часу буде складатись тшьки з вимушених коливань. Початков! умови виро-джуються разом з в!льними коливаннями, як! поступово затухають;
— не звертаючи уваги на наявшсть опору руху, вимушеш коливання е гармошчними та вщбуваються з частотою вимушених коливань, тобто частотою зовшшньо! сили.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Алижан, А. Влияние динамических процессов в системе колесо-рельс на образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов : автореф. дис.... канд. техн. наук : 05.22.07 / Алижан Алмас ; Мос. гос. ун-т путей сообщения. - Москва, 2010. - 24 с.
2. Бондаренко, I. О. Особливосп дослвдження процесу деформативно! роботи елеменпв зал!знично! кол!! / I. О. Бондаренко // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
зал1зн. трансп. - 2015. - № 4 (58). - С. 87-98. doi: 10.15802/stp2015/49212.
3. Бондаренко, I. О. Стосовно питань моделюван-ня життевого циклу деформативно! роботи елеменпв зал1знично1 колй' / I. О. Бондаренко // Наука та прогрес трансп. В1сн. Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. - 2015. - № 1 (55). -С. 78-89. doi: 10.15802/stp2015/38247.
4. Вериго, М. Ф. Общие положения для корректировки правил расчетов железнодорожного пути на прочность и предложения по изменению этих правил / М. Ф. Вериго, С. С. Крепко-горский // Тр. ЦНИИ МПС. - Москва, 1972. -Вып. 97. - С. 4-50.
5. Гасанов, А. М. О приведенной массе пути / А. М. Гасанов // Вестн. ЦНИИ МПС. - 1968. -№ 6. - С. 52-54.
6. Исследование напряжений в контакте колесо-рельс // Ж.-д. мира. - 2011. - № 1. - С. 54-58.
7. Конечно-элементное моделирование и исследование эволюции контактных напряжений при страгивании железнодорожного колеса / И. Д. Арсеньев, А. И. Боровков, Д. Ю. Сараев, Д. В. Шевченко // Вестн. Перм. нац. исслед. политех. ун-та. Механика. - Пермь, 2011. -Вып. 2. - С. 5-13.
8. Соотношения между сопротивлениями качению и скольжению при движении локомотива по кривым и при извилистом движении колесной пары / Н. П. Довбня, Л. М. Бондаренко, Д. В. Бобырь, Р. А. Коренюк // Проблеми трибологи. - 2013. - № 1. - С. 43-46.
9. Advancements in Noise and Vibration Abatement to Support the Noise Reduction Strategy of Deutsche Bahn / B. Schulte-Werning, B. As-
И. А. БОНДАРЕНКО1*
1 Каф. «Путь и путевое хозяйство», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел./факс +38 (056) 373 15 42, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-4717-30
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ДЕФОРМАТИВНОЙ РАБОТЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
Цель. Научная работа своей целью имеет определение основных закономерностей процесса распространения колебаний от возбуждений подвижного состава в системе конструкций верхнего и нижнего строений железнодорожных путей для исследования развития процессов деформативности как основы создания нормативной базы работы пути в условиях обеспечения надежности железных дорог. Методика. Для достижения цели использованы принципы теории упругости и распространения волнового процесса при описании взаимодействия пути и подвижного состава. Результаты Установлено, какие виды колебаний и какую систему необходимо использовать при рассмотрении процесса колебаний при деформационной работе железнодорожного пути. Определен общий вид функции перемещений. Научная новизна. Обоснованы теоретические положения и принципы рассмотрения колебаний системы конструкций верхнего и нижнего строений пути, возбуждаемых подвижным составом. Это позволит исследовать процесс деформативной работы
mussen, W. Behr [et al.] // Proc. of the 10th Intern. Workshop on Railway Noise. - Nagahama, Japan, 2010. - P. 9-16.
10. Field monitoring on the train-induced vibration response of track structure in the Beiluhe permafrost region along Qinghai-Tibet railway in China / X.-Zh. Ling, Sh.-J. Chen, Zh.-Y. Zhu [et al.] // Cold Regions Science and Technology. -2010. - Vol. 60. - Iss. 1. - P. 75-83. doi: 10.1016/j.coldregions.2009.08.005.
11. Kik, W. A fast Approximate Method to Calculate Normal Load at Contact be-tween Wheel and Rail and Creep Forces During Rolling / W. Kik, J. Piotrowski // Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems : Proc. of 2nd Mini Conf. (29.07-31.07.1996) / Techn. Univ. of Budapest. -Budapest, 1996. - P. 52-61.
12. Lakusic, S. Rail traffic noise and vibration mitigation measures in urban areas / S. Lakusic, M. Ahac // Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette. -2012. - № 19 (2). - P. 427-435.
13. Planning and Controlling Railway Noise in a Metropolis: Our Practical Experience / 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 .
14. Rail and Contact Line Inspection Technology for Safe and Reliable Railway Traffic / T. Hisa, M. Kanaya, M. Sakai, K. Hamaoka // Hitachi Review. - 2012. - Vol. 61, № 7. - P. 325-330.
15. Srolarski, T. A. Rolling contacts / T. A. Srolarski, S. Tobe. - London : John Wiley & Sons, Ltd, 2000. - 445 p. doi: 10.1002/9781118903001.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
указанной системы, при котором происходят изменения ее состояний в течение некоторой наработки, что, в свою очередь, позволит определить параметры функциональной надежности движения поездов как составляющей безопасности пропуска подвижного состава по участку пути с учетом его технического состояния. Практическая значимость. Обычно для безопасного пропуска подвижного состава определяются параметры процесса колебаний системы «экипаж - путь». Существующие модели или очень тщательно рассматривают колебания подвижного состава при обобщенных характеристиках системы конструкций верхнего и нижнего строений железнодорожных путей, или рассматривают квазидинамичные колебания рельсов при общих характеристиках подрельсовой основы. Такое рассмотрение процесса колебаний, возбуждаемых подвижным составом и передающимся на все элементы систем конструкций верхнего и нижнего строений железнодорожных путей, не дает возможности определения ни параметров надежности элементов систем конструкций пути, ни параметров функциональной надежности движения поездов (как составляющей безопасности пропуска подвижного состава по участку пути с учетом его технического состояния). Поэтому для рассмотрения вопросов надежной работы элементов систем конструкций верхнего и нижнего строений железнодорожных путей предложены основные принципы рассмотрения процесса ее деформативной работы. Это дает возможность рассматривать непосредственно динамический процесс, локализованый как во времени, так и в пространстве.
Ключевые слова: моделирование; твердое тело; сплошная среда; деформативная работа; вынужденные колебания; свободные колебания; волновое распространение; частота колебаний; надежность пути; дисси-пативность
I. O. BONDARENKO1*
1 Dep. «Track and Track Facilities», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel./fax +38 (056) 373 15 42, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-4717-30
PROCESS FEATURES OF FLUCTUATIONS PROPAGATION AT STRESS-STRAIN WORK OF THE RAILWAY TRACK
Purpose. Scientific work aims at the determination the basic laws of fluctuations propagation process from exi-tation of rolling stock in the design system of permanent way and substructures of the railway lines for studing the deformation processes as the basis for a regulatory framework of the track operation in the conditions of ensuring the reliability of railways. Methodology. To achieve the aim the principles of elasticity theories and wave propagation process in describing the interaction track and rolling stock were applied. Findings. The kinds of fluctuations and system which should be used when considering the fluctuations in the deformation process of rail track were established. The general view of the displacement function was determined. Originality. The theoretical concepts and principles to consider fluctuations of a structures system of permanent way and substructures of the railway track, energised by rolling stock were grounded. This will allow studing the process of deformation work of the mentioned system, which changes its state. That in turn will allow us to determine the parameters of the trains functional reliability, as part of the security passes of rolling stock on the track section with regard to its technical condition. Practical value. Usually for safe crossing of rolling stock parameters of fluctuation process in the system «ve-hicle-track» are determined. Existing models or carefully consider fluctuations of rolling stock in generalized characteristics of the structures of permanent way and substructures of the railway tracks or view of quasi-dynamic fluctuations rails with general characteristics of under rail base. This review process of oscillations, energised by rolling stock and delivered to all the elements of the permanent way and substructures of the railway track do not allow determining both the reliability parameters of elements in the system of track construction and parameters of functional reliability of trains as part of security checkpoints in the area of rolling stock gauge because of its technical state. Therefore, for examining issues of reliable performance elements of the permanent way and substructures of the railway track are proposed its stress-strain work. It gives the possibility to consider a dynamic process, localized both in time and space.
Keywords: modeling; solid; solid medium stress-strain work; forced fluctuations; free fluctuations; wave propagation; fluctuations frequency; reliability o f a track; dissipativity
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
REFERENCES
1. Alizhan A. Vliyaniye dinamicheskikh protsessov v sisteme koleso-rels na obrazovaniye volnoobraznykh nerovnostey na poverkhnosti kataniya relsov. Avtoreferat Diss. [Influence of dynamic processes in the wheel-rail system to formation of undulations on the surface of riding the rails. Author's abstract]. Moscow, 2010. 24 p.
2. Bondarenko I.O. Osoblyvosti doslidzhennia protsesu deformatyvnoi roboty elementiv zaliznychnoi kolii [Features of the research work elements deformability of railway track]. Nauka taprohres transportu. VisnykDni-propetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2015, no. 4 (58), pp. 87-98. doi: 10.15802/stp2015/49212.
3. Bondarenko I.O. Stosovno pytan modeliuvannia zhyttievoho tsyklu deformatyvnoi roboty elementiv zaliznychnoi kolii [To the modeling issues of life cycle of deformation work of the railway track elements]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2015, no. 1 (55), pp. 78-89. doi: 10.15802/stp2015/38247.
4. Verigo M.F., Krepkogorskiy S.S. Obshchiye polozheniya dlya korrektirovki pravil raschetov zheleznodorozhnogo puti na prochnost i predlozheniya po izmeneniyu etikh pravil [General provisions for adjusting the rules for calculating the strength of the railway track and proposals to change the rules]. Trudy Tsentralnogo nauchno issledovatelskogo instituta tochnogo mashinostroeniya. Ministerstvo putey i soob-shcheniya [Proc. of the Central Scientific Research Institute of Precision Engineering. The Ministry of Transport and Communications], 1972, issue 97, pp. 4-50.
5. Gasanov A.M. O privedennoy masse puti [About the reduced mass of the way]. Vestnik Tsentralnogo nauchno issledovatelskogo instituta tochnogo mashinostroyeniya. Ministerstvo putey i soobshcheniya [Bulletin of the Central Scientific Research Institute of Precision Engineering. The Ministry of Transport and Communications], 1968, no. 6, pp. 52-54.
6. Issledovaniye napryazheniy v kontakte koleso-rels [The study of stresses in the contact wheel-rail]. Zheleznyye dorogi mira - Railways of the World, 2011, no. 1, pp. 54-58.
7. Arsenev I.D., Borovkov A.I., Sarayev D.Yu., Shevchenko D.V. Konechno-elementnoye modelirovaniye i issledovaniye evolyutsii kontaktnykh napryazheniy pri stragivanii zheleznodorozhnogo kolesa [Finite element modeling and study of the evolution of the contact stresses in the breakaway railway wheel]. Vestnik Permskogo natsionalno issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Mekhanika [Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Mechanics], 2011, issue 2, pp. 5-13.
8. Dovbnya N.P., Bondarenko L.M., Bobyr D.V., Korenyuk R.A. Sootnosheniya mezhdu soprotivleniyami kacheniyu i skolzheniyu pri dvizhenii lokomotiva po krivym i pri izvilistom dvizhenii kolesnoy paiy [The ratio between the rolling resistance and slip during motion of the locomotive on curves and twisting motion of the wheelset]. Problemy trybolohii - Problems of Tribology, 2013, no. 1, pp. 43-46.
9. Schulte-Werning B., Asmussen B., Behr W., Degen K.G., Garburg R. Advancements in Noise and Vibration Abatement to Support the Noise Reduction Strategy of Deutsche Bahn. Proc. of the 10th Intern. Workshop on Railway Noise, Nagahama, Japan, 2010, pp. 9-16.
10. Ling X.Zh., Chen S.-J., Zhu Zh.-Y., Zhang F. Field monitoring on the train-induced vibration response of track structure in the Beiluhe permafrost region along Qinghai-Tibet railway in China. Cold Regions Science and Technology, 2010, vol. 60, issue 1, pp. 75-83. doi: 10.1016/j.coldregions.2009.08.005.
11. Kik W., Piotrowski J. A Fast Approximate Method to Calculate Normal Load at Contact between Wheel and Rail and Creep Forces During Rolling. Proc. of 2nd Mini Conf. Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems (29.07-31.07.1996). Budapest, 1996, pp. 52-61.
12. Lakusic S., Ahac M. Rail traffic noise and vibration mitigation measures in urban areas. Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette, 2012, no. 19 (2), pp. 427-435.
13. Lee B., Chau W., Lam J., Yeung M. Planning and Controlling Railway Noise in a Metropolis: Our Practical Experience. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, 2012, vol. 118, pp. 17-23. doi: 10.1007/978-4-431-53927-8_3.
14. Hisa T., Kanaya M., Sakai M., Hamaoka K. Rail and Contact Line Inspection Technology for Safe and Reliable Railway Traffic. Hitachi Review, 2012, vol. 61, no. 7, pp. 325-330.
15. Srolarski T.A., Tobe S. Rolling contacts. London, John Wiley & Sons, Ltd. Publ., 2000. 445 p. doi: 10.1002/9781118903001.
Наука та прогрес транспорту. Вiсник Днiпропетровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
ЗАЛГЗНИЧНА КОЛШ
Стаття рекомендована до публ^кацп д.т.н., проф. В. Д. Петренком (Украгна), д.т.н., проф. Д. В. Лаух1ним (Украгна)
Поступила в редколлегию 13.08.2015 Принята к печати 01.10. 2015
