CC BY
24
УДК 625.1
И. С. Козлов, Р. Ли
ОЦЕНКА ФАКТИЧЕСКОГО ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГРУНТЫ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ОТ ИННОВАЦИОННЫХ ВАГОНОВ С НАГРУЗКОЙ
НА ОСЬ 27 ТС
Дата поступления: 15.05.2018 Решение о публикации: 17.10.2018
Аннотация
Цель: Оценка влияния пропуска поездов, сформированных из вагонов с осевой нагрузкой 27 тс на тележках модели 18-6863, на состояние высоких насыпей. Для достижения поставленной цели необходимо оценить фактическое вибрационное воздействие на грунты земляного полотна: определить амплитудно-частотные характеристики колебательного процесса грунтов основной площадки земляного полотна при обращении составов, сформированных из вагонов с осевой нагрузкой 27 тс, в сравнении с уровнем воздействия от вагонов с осевой нагрузкой 23,5 тс. Методы: Проводятся полевые измерения и применяется анализ вибрационного воздействия. Результаты: В спектре колебаний достаточно четко прослеживается наличие трех гармоник: низкочастотной с частотой 1,6-3,2 Гц, среднечастотной - 4-40 Гц и высокочастотной - свыше 40 Гц. В общих результирующих колебаниях основное влияние оказывает частота 12,5-20 Гц, которая, как известно, порождается проходом осей подвижного состава. Анализ данных, полученных со всех экспериментальных участков и с разных сечений пути, показывает, что принципиальным образом амплитудно-частотный спектр колебаний при движении инновационного подвижного состава не меняется. Как и при движении обычных вагонов, основной вклад в результирующие амплитуды смещений вносят среднечастотные колебания от 4 до 40 Гц. Амплитуды смещений в этом частотном диапазоне составляют 69-78 % от результирующих амплитуд смещений. На долю низкочастотных колебаний до 3,2 Гц приходится около 5-18 % от результирующих амплитуд смещений, на долю колебаний с частотой свыше 40 Гц - около 11-21 %. Практическая значимость: Полученные результаты могут быть использованы для разработки норм устройства, эксплуатации, технического обслуживания и диагностики объектов путевой инфраструктуры для участков обращения составов, сформированных из вагонов с осевой нагрузкой 27 тс.
Ключевые слова: Земляное полотно, вибрация, высокие насыпи, нагрузка, амплитуда.
*Ivan S. Kozlov, Cand. Eng. Sci., associate professor, kozlovi.s@yandex.ru; Ramazan Li, student, lee.ramazan@yandex.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) THE ASSESSMENT OF ACTUAL VIBRATORY IMPACT ON SUBGRADE SOIL FROM INNOVATIVE CARS WITH 27 TF AXLE LOAD
Summary
Objective: To assess the impact of passing the trains, which are made up of cars with 27 tf axle load on 18-6863 model trucks, on the condition of high banks. In order to achieve the objective it is necessary to assess the actual vibratory impact on subgrade soil: to determine amplitude-frequency response of oscillating process of the subgrade soil under the circulation of trains made up of cars with 27 tf axle load compared to impact level of cars with axle load 23,5 tf. Methods: Field observations and the analysis of vibrational impact were applied in the study. Results: Three harmonics are clearly traced in oscillation spectrum: low-frequency harmonic with a frequency of 1,6-3,2 Hz, medium frequency - 4-40 Hz and high frequency with frequencies of more than 40 Hz. The frequency of 12,5-20 Hz exerts major impact in common resultant oscillations, the former, as is known, is generated by vehicle stock axes pass. The analysis of data, collected at all test sections and different cross sections, showed that amplitude-frequency spectrum of oscillations remains constant under innovative rolling stock operation. The main contribution in resultant shift oscillations is made by middle frequency oscillations from 4 to 40 Hz, which is similar to usual trains operation. Shift amplitudes in the given frequency range comprise 69-78 % from the resulting shift amplitudes. Low frequency oscillations of up to 3,2 Hz account for about 5-18 % of resulting shift amplitudes, while those with a frequency of more than 40 Hz account to about 11-21 %. Practical importance: The obtained results may be used for the development of construction norms, operation, maintenance and diagnostics of track infrastructure facilities designed for sections of train circulation, made up of cars with 27 tf axle load.
Keywords: Subgrade formation, vibration, high banks, load, amplitude.
Исследования колебательного процесса грунтов основной площадки земляного полотна проводились на трех экспериментальных участках:
- участок 1 на 346 км пикете (ПК) 8 перегона Лая - Сан-Донато направления Пермь - Екатеринбург;
- участок 2 на 340 км ПК 6 перегона Баранчинская - Лая направления Пермь - Екатеринбург;
- участок 3 на 327 км ПК 7 перегона Баранчинская - Лая направления Пермь - Екатеринбург.
Все участки двухпутные, электрифицированные, оборудованные автоблокировкой. Конструкция верхнего строения пути на всех экспериментальных участках идентичная.
I главный путь представлен бесстыковым путем из сварных рельсовых плетей типа Р65 на железобетонных шпалах со скреплением АРС-4, эпюра шпал составляет 1840 шт./км, балласт щебеночный толщиной под шпалой -40 см.
II главный путь уложен 25-метровыми звеньями из закаленных рельсов типа Р65 производства Нижнетагильского металлургического комбината, шпалы деревянные со скреплением ДО, эпюра шпал составляет 1840 шт./км, балласт асбестовый толщиной 40 см, загрязненность балласта - более 20 %.
Контроль:
По данным прохода путеизмерителя от 29 июля 2017 г. I главный путь на участках № 1 и 2 имеет оценку «ОТЛИЧНО» (10 баллов) и «ХОРОШО»
(40 баллов) на участке № 3; II главный путь на участках № 1 и 2 имеет оценку «ХОРОШО» (40 баллов) и «УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО» (150 баллов) на участке № 3.
Все вышеперечисленные участки были оборудованы грунтовыми марками для оценки темпов накопления остаточных деформаций пути. На каждом участке также устанавливались датчики, регистрирующие параметры колебательного процесса для проведения испытаний по оценке уровня вибродинамического воздействия, передаваемого грунтам основной площадки земляного полотна при движении инновационных вагонов, а также для вибродиагностики насыпей.
Характер колебательного процесса грунтов основной площадки земляного полотна при движении инновационных вагонов с нагрузкой на ось 27 тс
Необходимость описания и исследования характера колебательного процесса, свойственного грунтам земляного полотна, определяется прежде всего потребностью лабораторных исследований грунтов при вибродинамическом воздействии. Кроме того, технический прогресс на железнодорожном транспорте, связанный с разработкой инновационных вагонов с нагрузкой на ось до 30 тс, диктует также важность этого анализа, поскольку характер колебаний способствует выявлению причин их возникновения, что очень важно не только с позиции самого явления, но и с точки зрения влияния этих колебаний на стабильность земляного полотна [1-10]. В частности, применяемый в настоящее время метод вибродиагностики высоких насыпей основан на изучении амплитудно-частотных характеристик колебательного процесса с целью выявления так называемых «вредных вибраций».
Приведем данные по изменению характера колебательного процесса на каждом экспериментальном участке.
Исследования колебательного процесса грунтов производились при движении опытного поезда, сформированного из инновационных вагонов с нагрузкой на ось 27 тс, со скоростью 40-70 км/ч.
Iглавный путь (средняя часть плети). Амплитудно-частотный спектр колебаний на основной площадке земляного полотна при движении поездов, сформированных из инновационных вагонов с нагрузкой на ось 27 тс, приведен на рис. 1.
В амплитудно-частотном спектре результирующих колебаний грунтов на основной площадке земляного полотна при движении инновационных вагонов с нагрузкой на ось 27 тс по I главному пути можно выделить следующие основные гармоники колебаний:
Амплитуды смещений, % от полной величины, при частоте колебаний, Гц
1,6-3,2 4,0-10,0 12,0-18,0 20,0-40,0 50,0-90,0 Свыше 100,0
9 19 46 20 5 2
Частота колебаний, Гц
Рис. 1. Частотный спектр колебаний грунтов основной площадки I главного пути при движении опытного поезда из инновационных вагонов
II главный путь. Аналогичные результаты при движении поездов соответственно через зону рельсового стыка и вне нее иллюстрирует рис. 2, А, Б. Приведем данные при движении поездов в средней части звена (на расстоянии 12 м от зоны рельсового стыка):
Амплитуды смещений, % от полной величины, при частоте колебаний, Гц
1,6-3,2 4,0-10,0 12,0-18,0 20,0-40,0 50,0-90,0 Свыше 100,0
Зона рельсового стыка
2 21 28 17 21 10
Вне нее
27 18 28 18 7 1
Для удобства дальнейшего анализа в таблице представлены итоговые результаты по всем экспериментальным участкам.
Амплитудно-частотный спектр колебаний, зафиксированный при движении обычного подвижного состава, хорошо согласуется с результатами исследований [5, 7, 8, 10] и не приводится в виде рисунков и таблиц в данной статье. Хотелось бы отметить, что в спектре колебаний достаточно четко прослеживается наличие трех гармоник: низкочастотной - 1,6-3,2 Гц, среднеча-стотной - 4-40 Гц и высокочастотной - свыше 40 Гц.
20,00
15,00
10,00
5 5,00
0,00
А
ПТ
л^ьлгосоо^юоьлипоотооьлоооьло ~ 10 2 Й н н н N N т ^
Б
Частота колебаний, Гц
Рис. 2. Частотный спектр колебаний грунтов основной площадки II главного пути при движении опытного поезда из инновационных вагонов с нагрузкой на ось 27 тс:
А - зона рельсового стыка; Б - вне нее
Амплитудно-частотный спектр колебаний грунтов основной площадки земляного полотна при движении инновационных вагонов с нагрузкой на ось 27 тс
№ участка Амплитуды смещений, % от полной величины, при частоте колебаний, Гц
1,6-3,2 4,0-10,0 12,0-18,0 20,0-40,0 50,0-90,0 Свыше 100,0
I главный путь, средняя часть плети
1 9 19 46 20 5 2
2 10 21 45 19 4 1
3 16 26 18 20 11 9
Среднее 12 22 36 20 7 4
№ участка Амплитуды смещений, % от полной величины, при частоте колебаний, Гц
1,6-3,2 4,0-10,0 12,0-18,0 20,0-40,0 50,0-90,0 Свыше 100,0
II главный путь, зона стыка
1 2 21 28 17 21 10
2 3 24 31 27 13 2
3 9 24 14 32 16 4
Среднее 5 23 24 25 17 5
II главный путь, средняя часть звена
1 27 18 28 18 7 1
2 6 28 30 24 10 3
3 22 19 23 20 11 5
Среднее 18 22 27 21 9 3
При движении инновационного состава на различных участках получены разные результаты. На участке № 1 выявляется принципиальное изменение спектральной картины при движении как по I главному пути, так и по II главному пути (рис. 2, А, Б). При движении обычных поездов наблюдается широкополосной спектр колебаний, а при движении инновационного состава весь спектр в основном сжимается к частотам 12,5-14,0 Гц и становится узкополосным. Таким образом, в общих результирующих колебаниях основное влияние оказывает частота 12,5-20 Гц, которая, как известно, порождается проходом осей подвижного состава.
В то же время анализ данных, полученных со всех экспериментальных участков и с разных сечений пути (таблица), показывает, что принципиальным образом амплитудно-частотный спектр колебаний при движении инновационного подвижного состава не меняется, за исключением участка № 1. Как и при движении обычных вагонов, основной вклад в результирующие амплитуды смещений вносят среднечастотные колебания от 4 до 40 Гц. Амплитуды смещений в этом частотном диапазоне составляют 69-78 % от результирующих амплитуд смещений. На долю низкочастотных колебаний до 3,2 Гц приходится около 5-18 % от результирующих амплитуд смещений и на долю колебаний с частотой свыше 40 Гц - около 11-21 %.
Учитывая, что в подавляющем числе случаев амплитудно-частотный спектр остался без значимых изменений, следует считать, что в условиях промерзания грунтов основной площадки земляного полотна и частичного промерзания грунтов рабочей зоны земляного полотна инновационные вагоны существенно не изменяют характер колебательного процесса грунтов земляного полотна.
Библиографический список
1. СТО РЖД 1.07.002-2010. Инфраструктура железнодорожного транспорта на участках обращения грузовых поездов повышенного веса и длины. Технические требования. - М. : ОАО «РЖД», 2010. - 38 с.
2. Обобщение мирового опыта тяжеловесного движения. Конструкция и содержание железнодорожной инфраструктуры / пер. с англ. ; под ред. С. М. Захарова. - М. : Интекст, 2012. - 568 с.
3. Беседин И. С. Развитие тяжеловесного движения на железных дорогах мира / И. С. Беседин, Л. А. Мугинштейн, С. М. Захаров // Железные дороги мира. - 2006. - № 9. -С. 39-48.
4. Проблемы содержания пути при высоких осевых нагрузках // Железные дороги мира. - 2005. - № 2. - С. 66-70.
5. Прокудин И. В. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку : дис. ... докт. техн. наук, специальность : 05.22.06 / И. В. Прокудин. - Л. : Изд-во ЛИИЖТ, 1982. - 455 с.
6. Блажко Л. С. Технико-экономическое обоснование усиления конструкции пути на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 300 кН : дис. ... докт. техн. наук, специальность : 05.22.06 / Л. С. Блажко. - СПб. : ПГУПС, 2003. - 331 с.
7. Берестяный Ю. Б. Прочность высоких железнодорожных насыпей из глинистых грунтов при воздействии поездов с повышенными осевыми и погонными нагрузками в условиях Дальневосточной железной дороги : дис. . канд. техн. наук, специальность : 05.22.06 / Ю. Б. Берестяный. - Л. : Изд-во ЛИИЖТ, 1990. - 232 с.
8. Лапидус Т. А. Влияние повышенных осевых нагрузок / Т. А. Лапидус, Н. В. Войце-ховская, А. Е. Протасов // Путь и путевое хозяйство. - 1990. - № 2. - С. 13-14.
9. Блажко Л. С. Геоматериалы при высоких осевых нагрузках / Л. С. Блажко // Путь и путевое хозяйство. - 2002. - № 10. - С. 36-37.
10. Стоянович Г. М. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна при повышенной вибродинамической нагрузке в упругопластической стадии работы грунтов : дис. ... докт. техн. наук, специальность : 05.22.06 / Г. М. Стоянович. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2002. - 360 с.
References
1. STO RZhD 1.07.002-2010. Infrastruktura zheleznodorozhnogo transporta na uchastkakh obrashcheniya gruzovykhpoyezdovpovyshennogo vesa i dliny. Tekhnicheskiye trebovaniya [STO RZhD 1.07.002-2010. Infrastructure of railway transport at sections offreight trains circulation with increased load and length. Specifications]. Moscow, OAO "Russian Railways" Publ., 2010, 38 p. (In Russian)
2. Obobshcheniye mirovogo opyta tyazhelovesnogo dvizheniya. Konstruktsiya i soderzha-niye zheleznodoroznoy infrastrutury [Guidelines to best practices for heavy haul railway operations. Infrastructure construction and maintenance issues]. Tr. from English; ed. by S. M. Zakharov. Moscow, Intext Publ., 2012, 568 p. (In Russian)
3. Besedin I. S., Muginshtein L.A. & Zakharov S. M. Razvitiye tyazhelovesnogo dvizheniya na zheleznykh dorogakh mira [The development of heavy-load traffic on railroads of the world]. Zhelezniye dorogy mira [Railroads of the world], 2006, no. 9, pp. 39-48. (In Russian)
4. Problemy soderzhaniya puty pry vysokykh osevykh nagruzkakh [The problems of track maintenance in case of increased axle loads]. Zhelezniye dorogy mira [Railroads of the world], 2005, no. 2, pp. 66-70. (In Russian)
5. Prokudin I. V. Prochnost i deformativnost zheleznodorozhnogo zemlyanogo polotna iz glinistykh gruntov, vosprinimayushchykh vibrodinamicheskuyu nagruzku [Strength and deform-ability of railway roadbed made of clay soil, taking up vibratory dynamic load]. Diss. ... D. Eng. Sci., speciality: 05.22.06. Leningrad, LIIZhT Publ., 1982, 455 p. (In Russian)
6. Blazhko L. S. Tekhniko-ekonomicheskoye obosnovaniye usileniya konstruktsiiputy na uchastkakh obrashcheniya podvizhnogo sostava s osevymy nagruzkamy do 300 kH [Feasibility study of trackform enforcement at sections of the rolling stock circulation with axle load up to 300 kN]. Diss. ...D. Eng. Sci., speciality: 05.22.06. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2003, 331 p. (In Russian)
7. Berestyaniy Y. B. Prochnost vysokykh zheleznodorozhnykh nasypey iz glinistykh gruntov pry vozdeistviipoyezdov s povyshennymy osevymy nagruzkamy ipogonnymy nagruzkamy v uslovi-yakh Dalnevostochnoy zheleznoy dorogy [Durability of high banks made of clay soles under the effect of trains with increased axle and linear loads in conditions of Far Eastern Railroad]. Diss. ... Cand. Eng. Sci., speciality: 05.22.06. Leningrad, LIIZhT Publ., 1990, 232 p. (In Russian)
8. Lapidus T.A., Voitsekhovskaya N. V. & Protasov A. E. Vliyaniye povyshennykh osevykh nagruzok [The impact of increased axle loads]. Put iputevoye khozyaistvo [Track and track facilities], 1990, no. 2, pp. 13-14. (In Russian)
9. Blazhko L. S. Geomaterialy pry vysokykh osevykh nagruzkakh [Geomaterials under increased axle loads]. Put iputevoye khozyaistvo [Track and track facilities], 2002, no. 10, pp. 36-37. (In Russian)
10. Stoyanovich G. M. Prochnost i deformativnost zheleznodorozhnogo zemlyanogo polotna pry povyshennoy vibrodinamicheskoy nagruzke v uprugoplasticheskoy stadii raboty gruntov [Durability and deformability of railway roadbed under increased vibratory dynamic load in elastoplastic operating stage of soils]. Diss. ...D. Eng. Sci., speciality: 05.22.06. Khabarovsk, DVGUPS Publ., 2002, 360 p. (In Russian)
*КОЗЛОВ Иван Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, kozlovi.s@yandex.ru; ЛИ Рамазан - студент, lee.ramazan@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
