CC BY
77
УДК 625.033.3
Оценка напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения пути железных дорог Республики Узбекистан при эксплуатации подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками
Р. В. Рахимов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Рахимов Р. В. Оценка напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения пути железных дорог Республики Узбекистан при эксплуатации подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками // Бюллетень результатов научных исследований. - 2019. - Вып. 3. - С. 67-88. 001: 10.20295/2223-9987-2019-3-67-88
Аннотация
Цель: Оценка показателей воздействия подвижного состава с увеличенными осевыми нагрузками на железнодорожный путь с учетом конструктивных характеристик верхнего строения главных магистральных путей железных дорог Республики Узбекистан. Методы: Использованы статистические и аналитические методы. Результаты: Получены динамические максимальные нагрузки, действующие от подвижного состава с увеличенными осевыми нагрузками на железнодорожный путь. Выполнены теоретические исследования по определению влияния увеличенных осевых нагрузок подвижного состава на показатели напряженно-деформированного состояния элементов верхнего строения пути и земляного полотна. Установлено, что существующая конструкция главных магистральных путей железных дорог Узбекистана с рельсами типа Р65 и тяжелее, эпюрой шпал 1840 шт./км и более, при толщине щебеночного балласта на песчаной подушке не менее 55 см обладает достаточной прочностью и дает возможность без перенапряжения элементов верхнего строения железнодорожного пути и земляного полотна эксплуатировать грузовой подвижной состав с повышенными осевыми нагрузками до 27 тс при скорости движения до 90 км/ч. Практическая значимость: Внедрение рассмотренного подвижного состава и развитие тяжеловесного движения позволит повысить провозную способность наиболее загруженных участков железных дорог Узбекистана и снизить эксплуатационные расходы.
Ключевые слова: Железные дороги Узбекистана, развитие тяжеловесного движения, осевая нагрузка, воздействия на путь, напряжения, верхнее строение пути, рельс, балласт, земляное полотно.
Введение
Для обеспечения дальнейшей эффективной работы железнодорожного транспорта и выхода его на лидирующую позицию в осуществлении основных внутренних и межгосударственных грузовых перевозок к приоритетным задачам, поставленным перед железнодорожным транспортом Республи-
ки Узбекистан, относится максимально возможное увеличение пропускной и провозной способностей сети железных дорог страны с повышением уровня безопасности движения поездов [1-3].
В настоящее время при ограниченных длинах приемо-отправочных путей на станциях одними из наиболее перспективных способов, позволяющих значительно повысить эффективность перевозочного процесса и провозную способность грузонапряженных участков сети железных дорог, являются увеличение осевых и погонных нагрузок подвижного состава на железнодорожный путь и развитие тяжеловесного движения [4, 5].
Для дальнейшего развития железнодорожного транспорта в реализации экспортного и транзитного потенциалов страны, которые позволят получить экономический эффект от участия в международных перевозках, в современных условиях крайне актуальным становится развитие тяжеловесного движения в Республике Узбекистан [6-8]. Экономическая эффективность внедрения тяжеловесного движения и применения подвижного состава с увеличенными осевыми нагрузками на железнодорожном транспорте подтверждается опытом успешной эксплуатации в течение нескольких последних десятилетий на железных дорогах ряда зарубежных стран [9-12]. Однако при этом значительно возрастает воздействие подвижного состава на железнодорожный путь, и актуальными вопросами при этом являются выбор оптимальных осевых нагрузок и оценка воздействия подвижного состава на железнодорожный путь из условий обеспечения его надежности [13, 14].
Постановка задачи исследований
Для оценки воздействия подвижного состава на железнодорожный путь разработаны различные методики [15-17]. Однако их применение затруднено в связи с недостаточной изученностью количественной оценки основных факторов, влияющих на указанное взаимодействие.
В настоящее время для расчета показателей воздействия подвижного состава на железнодорожный путь на железных дорогах стран СНГ, в том числе в Республике Узбекистан, в основном применяется «Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности» [18], в которой основными критериями оценки из условий обеспечения надежности пути являются показатели напряженно-деформированного состояния элементов верхнего строения пути и земляного полотна (на основной площадке).
Для определения влияния подвижного состава с увеличенными осевыми нагрузками на железнодорожный путь в этой работе, с учетом конструктивных характеристик верхнего строения пути железных дорог Узбекистана, были выполнены расчетно-теоретические исследования по оценке
влияния увеличенных осевых нагрузок подвижного состава на показатели напряженно-деформированного состояния элементов верхнего строения пути и земляного полотна. Результаты расчетов сравнивались с допускаемыми значениями по Методике [18] и ГОСТ Р 55050-2012 [19], а также с полученными в процессе эксплуатации на сети вагонов на тележках традиционной конструкции (модели 18-100) с осевой нагрузкой 23,5 тс.
Решались следующие задачи:
• анализ конструкции главных магистральных путей железных дорог Республики Узбекистан и выбор типовой конструкции пути для дальнейших исследований;
• определение динамических максимальных нагрузок, действующих от подвижного состава с увеличенными осевыми нагрузками на железнодорожный путь;
• определение напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения железнодорожного пути (напряжения в кромках подошвы рельса, прокладке и балласте под шпалой);
• определение напряженно-деформированного состояния земляного полотна;
• оценка влияния толщины балластного слоя, типа рельса и эпюры шпал на напряженно-деформированное состояние земляного полотна.
Анализ конструкции главных путей железных дорог Республики Узбекистан
В Республике Узбекистан железнодорожный транспорт представляет государственное предприятие АО «Узбекские железные дороги», управляющее всеми железными дорогами на территории Узбекистана.
Общая протяженность железнодорожных путей АО «Узбекские железные дороги» - более 7,3 тыс. км. При этом доля главных магистральных путей составляет свыше 70 % от их общей протяженности. Структура железнодорожных путей АО «Узбекские железные дороги» представлена на рис. 1.
Анализ характеристик главных магистральных путей железных дорог Узбекистана, эксплуатационная длина (рис. 2) которых в настоящее время превышает 4,6 тыс. км (развернутая длина около 5,2 тыс. км), показал, что доля протяженности железнодорожного пути с рельсами Р65 и тяжелее составляет около 95 % (рис. 3, а). Тем не менее в сети до сих пор имеются участки с рельсами Р50, однако их доля в общей протяженности пути - не более 5,3 %, а развернутая длина - 276 км.
Структура главных магистральных путей железных дорог Узбекистана по типам рельса, шпал, родам балласта и радиусу кривой приведена на рис. 3.
I Главные пути У Станционные пути и Подъездные пути
Рис. 1. Структура железнодорожных путей АО «Узбекские железные дороги»
4800
4600
Э 4400
4200
4000
3800
Ь
н 3600
3400
3200
3000
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Годы
Рис. 2. Протяженность главных магистральных путей железных дорог Узбекистана
в период 2011-2018 гг.
В Щебеночный ВГравийкый И Песчаный и До 400 м а 400-700 м в 700 -1000 м
и Свыше 1000 м а Прямые
Рис. 3. Структура главных магистральных путей железных дорог Узбекистана по типам рельса (а), шпал (б), родам балласта (в) и радиусу кривой (г)
На главных путях железных дорог Узбекистана в основном использованы железобетонные шпалы (рис. 3, б), которые в массовом порядке стали применяться со второй половины XX в. Существуют также участки железных дорог с деревянными шпалами, протяженность которых не превышает 267 км.
На железных дорогах Узбекистана в основном применяется щебеночный балласт на песчаной подушке толщиной 20 см (рис. 3, в), укладываемый на основную площадку земляного полотна. Незначительно встречается также гравийный и песчаный балласт. Протяженность главных магистральных путей с ним - не более 37,2 км.
Доля прямых и кривых радиусом 1200 м и более в общей протяженности главных магистральных путей составляет 84,6 %. Протяженность кривых радиусом до 400 м - 47,5 км, а их доля в общей протяженности пути не превышает 0,9 % (рис. 3, г).
Таким образом, из выполненного анализа характеристик и конструкций главных магистральных путей железных дорог Узбекистана установлено, что около 95 % железнодорожного пути имеет конструкцию верхнего строения пути с рельсами типа Р65, уложенными на железобетонные шпалы с эпюрой шпал в прямых и кривых радиусами более 1200 м - 1840 шт./км (в кривых радиусами 1200 м и менее - 2000 шт./км) на щебеночном балласте толщиной 55 см с учетом балластной подушки из песка толщиной 20 см.
Исходные данные для расчета
Для дальнейших исследований как типовая конструкция пути была выбрана конструкция верхнего строения пути с рельсами типа Р65, уложенными на железобетонные шпалы с эпюрой шпал 1840 шт./км на щебеночном балласте толщиной 55 см с учетом балластной подушки из песка толщиной 20 см. При этом при определении параметров верхнего строения пути принимался во внимание износ головки рельса на 6 мм.
При расчетах учитывалось, что подвижной состав сформирован из инновационных грузовых вагонов с улучшенными показателями динамического воздействия на путь. Оценивалось воздействие на путь грузовых вагонов на тележках 18-9855 с осевыми нагрузками 25 тс, вагонов на тележках 18-6863 с осевыми нагрузками 27 тс и серийных грузовых вагонов на тележках 18-100 с осевыми нагрузками 23,5 тс. Основные технические характеристики экипажной части грузовых вагонов приведены в таблице.
Основные технические характеристики экипажной части грузовых вагонов
Параметры Модель тележки
18-100 18-9855 18-6863
Осевая нагрузка, тс 23,5 25,0 27,0
Статический прогиб рессорного подвешивания, мм 48 51 70
Диаметр колеса по кругу катания, см 95
Параметры Модель тележки
18-100 18-9855 18-6863
Неподрессоренный вес, приходящийся на колесо, кгс 995 1035 1140
Расстояние между центрами осей колесных пар тележки, см 185 185 187
Определение динамических максимальных нагрузок от подвижного состава с увеличенными осевыми нагрузками на железнодорожный путь
При движении подвижного состава по железнодорожному пути возникают различные динамические нагрузки, значения которых в основном зависят от состояния и характеристик элементов конструкции верхнего строения пути, а также от скорости движения.
Динамическая максимальная нагрузка от колеса подвижного состава на рельс в соответствии с Методикой [18] определяется по формуле
РТ = Р + 0,75 • кд • (Р -д) + 2,5 • 5, (1)
где Р - статическая нагрузка колеса на рельс; кд - коэффициент динамических добавок от вертикальных колебаний надрессорного строения (коэффициент вертикальной динамики экипажа); д - отнесенный к колесу вес необ-рессоренных частей; 5 - среднее квадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс.
Коэффициент динамической добавки кд, который зависит в основном от скорости движения подвижного состава и статического прогиба рессорного подвешивания вагона, определяется экспериментально, а при отсутствии экспериментальных данных - расчетным путем.
В результате проведенного анализа было установлено, что экспериментальные значения кд по сравнению с расчетными по эмпирическим формулам, согласно [18, формула (5)] и [20, формула (4.12)], меньше, чем расчетные (рис. 4, а, б).
Найденные по формуле (1) зависимости динамических максимальных нагрузок на типовую конструкцию пути от скорости движения подвижного состава на прямых участках пути приведены на рис. 5. По результатам ис-
а
80 90
110 120
■е-
о 0.5 И "
0.4
б
0.3
0.2
0.1
10 20 30 40 50 60 70 80 Скорость движения, км/ч
90 100 ПО 120
Рис. 4. Зависимость коэффициента динамической добавки кд вагона с осевой нагрузкой 25 (а) и 27 тс (б) от скорости движения: 1 - расчет по [18]; 2 - расчет по [20]; 3 - эксперимент
следований установлено, что экспериментальные значения динамических максимальных нагрузок меньше, чем расчетные. Поэтому в дальнейшем показатели напряженно-деформированного состояния элементов пути рассчитывались с нагрузками, полученными по расчетной формуле, согласно [18], что позволит обеспечить запас прочности элементов пути.
40 50 60 70 80 Скорость движения, км/ч
Рис. 5. Зависимость динамических максимальных нагрузок от скорости движения вагонов с различными осевыми нагрузками
Определение напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения железнодорожного пути (напряжения в кромках подошвы рельса, резиновой подрельсовой прокладке и балласте под шпалой)
К основным факторам, влияющим на показатели напряженно-деформированного состояния элементов верхнего строения пути и земляного полотна, относятся осевая нагрузка подвижного состава, характеристики и конструкция пути (тип рельса, расстояние между осями шпал, толщина балластного слоя, модуль упругости рельсового основания), конструкция тележки (расстояние между осями) и скорость движения поезда.
Показателями напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения железнодорожного пути служат напряжения, возникающие в кромках подошвы рельса, прокладке и балласте под шпалой.
Напряжения, возникающие в кромках подошвы рельса
Максимальные напряжения в кромках подошвы рельса, которые являются определяющим параметром прочности рельса и обусловлены сово-
купностью вертикальных и боковых нагрузок, а также моментов от приложения боковых сил и смещения точки контакта колеса на головке рельса, в соответствии с Методикой [18] рассчитываются следующим образом:
= /-°0. (2)
Здесь / - коэффициент перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным; а0 - максимальные напряжения в подошве рельса от его изгиба под действием момента М, которые определяются по формуле
м рТ + 1цРСр
ао = — "-
Ж 4кЖ
где Ж - момент сопротивления изгибу рельса относительно оси, проходящей в плоскости его подошвы; к - коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса; ц. - ординаты линии влияния изгибающих моментов рельса в сечениях пути, расположенных под колесными нагрузками от осей экипажа, смежных с расчетной осью; Рср - среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс.
Полученные по формуле (2) зависимости максимальных напряжений в кромках подошвы рельса от скорости движения подвижного состава на прямых участках пути приведены на рис. 6. На нем видно, что напряжения в кромках подошвы рельса не превышают установленных допускаемых значений 160 МПа по Методике [18] и 240 МПа по ГОСТ Р 55050-2012 [19] при эксплуатации грузовых вагонов с осевыми нагрузками 25 и 27 тс на прямых участках пути со скоростью движения до 120 км/ч.
Напряжения, возникающие в резиновой подрельсовой прокладке
Максимальные напряжения в резиновой подрельсовой прокладке в соответствии с Методикой [18] определяются по формуле
= ^ (РГ + ХпРер), (3)
2ю
где /ш - расстояние между осями шпал; ш - площадь подрельсовой прокладки; П.. - ординаты линии влияния прогибов рельса в сечениях пути, расположенных под колесными нагрузками, от осей экипажа, смежных с расчетной осью.
Зависимости максимальных напряжений в резиновой подрельсовой прокладке от скорости движения подвижного состава на прямых участках пути, полученные по формуле (3), приведены на рис. 7. Определено, что напряжения в резиновых подрельсовых прокладках не превышают установ-
240 220 200
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Скорость движения, км/ч
Рис. 6. Зависимость максимальных напряжений, возникающих в кромках подошвы рельса от скорости движения подвижного состава с различными осевыми нагрузками
на прямых участках пути: 1 - 23,5 тс; 2 - 25 тс; 3 - 27 тс; 4 - допускаемое значение по Методике [18];
5 - допускаемое значение по ГОСТ Р 55050-2012 [19]
ленных допускаемых значений 1,5 МПа по Методике [18] при эксплуатации грузовых вагонов с осевыми нагрузками 25 тс на прямых участках пути со скоростью движения до 110 км/ч, а также вагонов с осевыми нагрузками 27 тс - до 100 км/ч. В отличие от Методики [18] допускаемые напряжения в резиновых подрельсовых прокладках по ГОСТ Р 55050-2012 [19] выше и составляют 2,2 МПа, что позволяет эксплуатировать грузовые вагоны с осевыми нагрузками 25 и 27 тс на прямых участках пути со скоростью движения до 120 км/ч.
Напряжения, возникающие в балласте под шпалой
Максимальные напряжения в балласте под шпалой в соответствии с Методикой [18] определяются по формуле
=?т=<>> (4)
а а
Рис. 7. Зависимость максимальных напряжений, возникающих в резиновой подрельсовой прокладке от скорости движения подвижного состава с различными
осевыми нагрузками: 1 - 23,5 тс; 2 - 25 тс; 3 - 27 тс; 4 - допускаемое значение по Методике [18]; 5 - допускаемое значение по ГОСТ Р 55050-2012 [19]
где Q - максимальная нагрузка на шпалу; 0.а - площадь полушпалы с учетом поправки на ее изгиб, см 2.
На рис. 8 приведены полученные по формуле (4) зависимости максимальных напряжений в балласте под шпалой от скорости движения подвижного состава на прямых участках пути. На нем видно, что напряжения в балласте под шпалой не превышают установленных допускаемых значений 0,3 МПа по Методике [18] и 0,5 МПа по ГОСТ Р 55050-2012 [19] при эксплуатации грузовых вагонов с осевыми нагрузками 25 и 27 тс на прямых участках пути со скоростью движения до 120 км/ч.
По результатам выполненных теоретических исследований установлено, что существующая конструкция верхнего строения главных магистральных путей железных дорог Узбекистана по оценке напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения железнодорожного пути (по напряжениям в кромках подошвы рельса (рис. 6), подрельсовой прокладке (рис. 7) и балласте под шпалой (рис. 8)) позволяет эксплуатировать грузовые вагоны с осевыми нагрузками 25 тс на прямых участках пути
Рис. 8. Зависимость максимальных напряжений, возникающих в балласте под шпалой, от скорости движения вагонов с различными осевыми нагрузками: 1 - 23,5 тс; 2 - 25 тс; 3 - 27 тс; 4 - допускаемое значение по Методике [18]; 5 - допускаемое значение по ГОСТ Р 55050-2012 [19]
со скоростью движения до 110 км/ч, а вагоны с осевыми нагрузками 27 тс -до 100 км/ч.
Определение напряженно-деформированного состояния земляного полотна (на основной площадке)
Нормальные напряжения ок на основной площадке земляного полотна на глубине к от подошвы шпалы в рельсовой зоне по расчетной вертикали в соответствии с Методикой [18] определяются по формуле
к к +а к
(5)
Здесь <зк и <зк - напряжения от воздействия соответственно 1-й и 3-й шпал, лежащих по обе стороны от расчетной шпалы; ак - напряжения от воздействия 2-й шпалы (расчетной) в сечении пути под расчетным колесом:
а, = абрг[2,55С2 + (0,635С: - 1,275С2)т],
где г - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения давления вдоль шпалы и пространственность приложения нагрузки; т - переходный коэффициент от осредненного по ширине шпалы давления на балласт к давлению под осью шпалы; С1, С2 - коэффициенты, учитывающие ширину постели шпалы и глубину балластного слоя; абр - напряжения в балласте под расчетной шпалой, осредненное по ширине шпалы.
Учитывая, что расчетная ось находится над 2-й (расчетной) шпалой, напряжения на глубине к под 1-й и 3-й шпалами находятся по формулам
в которых аБ12 и аБ3 2 - среднее значение напряжений по подошве соседних с расчетной шпал, А - коэффициент, учитывающий расстояние между шпалами 1ш, ширину шпалы и глубину.
Напряжения в балласте под соседними с расчетной шпалой определяются из условия максимальной динамической нагрузки расчетного колеса, расположенного над расчетной шпалой, и средних нагрузок от остальных колес:
под 1-й шпалой
При определении ординат п индексы означают: /ш - расстояние между осями шпал; /1-2 - расстояние между 1-й и 2-й осями.
Полученные по формуле (5) зависимости максимальных напряжений на основной площадке земляного полотна от скорости движения подвижного состава на прямых участках пути приведены на рис. 9. Результаты исследований показали, что напряжения на основной площадке земляного полотна не превышают установленных допускаемых значений 0,08 МПа по Методике [18] и ГОСТ Р 55050-2012 [19] при эксплуатации грузовых вагонов с осевыми нагрузками 25 тс на прямых участках пути со скоростью движения до 95 км/ч, а также вагонов с осевыми нагрузками 27 тс - до 90 км/ч.
а к = 0,25аБ1,2 A, акз = 0,25аБз,2 А ,
а
под 3-й шпалой
а
Рис. 9. Зависимость максимальных напряжений, возникающих на основной площадке земляного полотна, от скорости движения подвижного состава с различными осевыми
нагрузками:
1 - 23,5 тс; 2 - 25 тс; 3 - 27 тс; 4 - допускаемое значение по Методике [18]
и ГОСТ Р 55050-2012 [19]
Оценка влияния толщины балластного слоя, типа рельса и эпюры шпал на напряженно-деформированное состояние земляного полотна
Напряженно-деформированное состояние земляного полотна (на основной площадке) в основном зависит от конструкции и характеристик верхнего строения пути: типа рельса, эпюры шпал и толщины балластного слоя под шпалой [21].
Для оценки влияния характеристик верхнего строения пути на напряженно-деформированное состояние земляного полотна при расчетах были приняты переменные значения следующих данных: рельс типа Р65 и Р75; толщина балластного слоя под шпалой 45, 50 и 55 см; эпюра шпал 1840 и 2000 шт./км.
Зависимость максимальных напряжений, возникающих на основной площадке земляного полотна при разных толщинах балласта пути, от скоро-
а
0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0.02 « 0,01 „* 0.00
а>
К 0.10 ! 0.09
0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0.00
б
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120
100 110 120
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Скорость движения, км/ч
Рис. 10. Зависимость максимальных напряжений, возникающих на основной площадке земляного полотна при разных толщинах балласта пути, от скорости движения подвижного состава с осевой нагрузкой 25 (а) и 27 тс (б): 1 - к = 55 см; 2 - к = 50 см; 3 - к = 45 см; 4 - допускаемое значение по Методике [18]
и ГОСТ Р 55050-2012 [19]
сти движения вагона с осевой нагрузкой 25 и 27 тс в прямых участках пути приведены на рис. 10, а, б соответственно. По результатам выполненных исследований определено, что с повышением осевых нагрузок подвижного состава показатели напряженно-деформированного состояния элементов железнодорожного пути зависят от характеристик верхнего строения и эксплуатационных условий. Установлено, что в прямых участках пути:
• увеличение эпюры шпал с 1840 до 2000 шт./км является малоэффективным способом и приводит к снижению напряжений на основной площадке земляного полотна на 1 %;
• усиление рельсов с помощью замены рельсов Р65 на более тяжелые типа Р75 приводит к понижению напряжений на основной площадке земляного полотна на 5 %;
• одновременное увеличение эпюры шпал с 1840 до 2000 шт./км и замена рельсов Р65 на более тяжелые типа Р75 приводят к уменьшению напряжений на основной площадке земляного полотна на 6 %.
Действенным средством по снижению напряжений на основной площадке земляного полотна является увеличение толщины балластного слоя. При этом определено, что для эксплуатации грузовых вагонов с осевыми нагрузками 25 тс со скоростью движения до 90 км/ч толщина щебеночного балласта должна быть не менее 50 см (рис. 10, а), а для вагонов с осевыми нагрузками 27 тс - не менее 55 см (рис. 10, б). На участках с малой толщиной балласта, например при 45 см, для эксплуатации вагонов с осевыми нагрузками 25 тс необходимо ограничить скорость движения до 75 км/ч, а для вагонов с осевыми нагрузками 27 тс - до 65 км/ч.
Заключение
На основе анализа характеристик и конструкций главных магистральных путей железных дорог Узбекистана выявлено, что около 95 % железнодорожного пути имеет конструкцию верхнего строения пути с рельсами типа Р65, уложенными на железобетонные шпалы с эпюрой шпал в прямых участках пути 1840 шт./км на щебеночном балласте толщиной 55 см с учетом балластной подушки из песка толщиной 20 см.
Анализ экспериментальных значений коэффициента динамической добавки показал, что по сравнению с расчетными, полученными по эмпирическим формулам, согласно [18, 20], они меньше. С целью обеспечить запас прочности элементов пути показатели напряженно-деформированного состояния элементов пути рассчитывались с нагрузками, определенными по расчетной формуле в соответствии с [18].
Результаты исследований показали, что при эксплуатации грузовых вагонов с осевыми нагрузками 25 и 27 тс со скоростью движения до 120 км/ч
напряжения, возникающие в кромках подошвы рельса и балласте под шпалой, не превышают установленных допускаемых значений. Однако такая скорость движения подвижного состава не приемлема по оценке напряженно-деформированного состояния подрельсовой прокладки и земляного полотна пути. Чтобы напряжения в подрельсовой прокладке не превышали установленных, грузовые вагоны с осевой нагрузкой 25 тс на прямых участках пути необходимо эксплуатировать со скоростью движения до 110 км/ч, а вагоны с осевой нагрузкой 27 тс - до 100 км/ч.
Определено, что существующая конструкция главных магистральных путей железных дорог Узбекистана с рельсами типа Р65 и тяжелее, эпюрой шпал 1840 шт./км и более, при толщине щебеночного балласта не менее 55 см с учетом балластной подушки из песка толщиной 20 см обладает достаточной прочностью и позволяет без перенапряжения элементов верхнего строения железнодорожного пути и земляного полотна эксплуатировать грузовой подвижной состав с повышенными осевыми нагрузками до 27 тс при скорости движения до 90 км/ч. При этом для эксплуатации при таких скоростях движения грузовых вагонов с осевыми нагрузками 25 тс толщина щебеночного балласта с учетом балластной подушки из песка толщиной 20 см должна быть не менее 50 см, а для вагонов с осевыми нагрузками 27 тс - не менее 55 см. На участках с малой толщиной балласта, например при 45 см, для эксплуатации вагонов с осевыми нагрузками 25 тс необходимо ограничить скорость движения до 75 км/ч, а для вагонов с осевыми нагрузками 27 тс - до 65 км/ч.
Таким образом, внедрение в эксплуатацию перспективного грузового подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками до 27 тс со скоростью движения до 90 км/ч и развитие тяжеловесного движения позволят увеличить провозную способность наиболее загруженных участков железных дорог Узбекистана и снизить эксплуатационные расходы.
Библиографический список
1. Стратегия развития АО «Узбекистан темир йуллари» на период 2015-2019 годы. -Ташкент : АО «УТЙ», 2015. - URL : http://www.railway.uz/ru/gazhk/strategiya_razvitiya (дата обращения : 01.08.2019).
2. Бизнес-план АО «Узбекистан темир йуллари» на 2019 год. - Ташкент : АО «УТЙ», 2018. - 72 с. - URL : http://www.railway.uz/upload/iblock/e90/e902e2b7d43da828f8 91b2f662621077.pdf (дата обращения : 01.08.2019).
3. Бизнес-план АО «Узбекистан темир йуллари» на 2018 год. - Ташкент : АО «УТЙ», 2017. - 44 с. - URL : http://www.railway.uz/upload/iblock/609/609214a07a254733f1 20fd666b397061.pdf (дата обращения : 01.08.2019).
4. Бороненко Ю. П. Вагоны с увеличенными нагрузками от колес на рельсы - резерв повышения провозной и пропускной способности железных дорог / Ю. П. Бороненко // Транспорт Российской Федерации. - 2008. - № 5 (18). - С. 52-55.
5. Бороненко Ю. П. Оценка возможности и эффективности повышения осевых нагрузок грузовых вагонов / Ю. П. Бороненко, А. В. Третьяков, М. В. Зимакова // Техника железных дорог. - 2017. - № 1. - С. 32-37.
6. Рахимов Р. В. Выбор направлений развития вагонного парка железных дорог Узбекистана / Р. В. Рахимов // Транспорт Российской Федерации. - 2018. - № 1 (74). -С. 71-74.
7. Rahimov R. V. Analysis of the state and prospects of the development of the freight wagon fleet of the Republic of Uzbekistan / R. V. Rahimov, Ya. O. Ruzmetov // Non-Ferrous Metals. - 2018. - Vol. 44, N 1. - P. 7-11.
8. Рахимов Р. В. Состояние и перспективы развития вагонного парка железных дорог Узбекистана / Р. В. Рахимов // Материалы XIII Междунар. науч.-технич. конференции «Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты». - СПб. : ПГУПС, 2018. -С. 124-128.
9. Титова Т. С. Экономическая эффективность увеличения грузоподъемности вагонов / Т. С. Титова, Ю. П. Бороненко // Железнодорожный транспорт. - 2018. - № 5. -С. 55-61.
10. Darby М. Technology for profit / М. Darby // Proceedings of 7th International Heavy Haul Association Conference. - 2001. - P. 3-6.
11. Kaley S. Development of heavy axle load technologies in North America / S. Kaley, R. Allen // Proceedings of International Heavy Haul Conference. Specialist Technical Session. High Tech in Heavy Haul. - 2007. - P. 17-28.
12. Merheb A. Dynamic loads evaluation in existing railroad infrastructure under increasing axle loads and speed / A. Merheb, L. Valente, R. Marotta, F. Moreira, R. Montoya // Proceedings of 11th International Heavy Haul Association Conference. - 2017. - P. 480486.
13. Гапанович В. А. Вопросы взаимодействия подвижного состава и инфраструктуры при тяжеловесном движении / В. А. Гапанович // Железнодорожный транспорт. -2016. - № 10. - С. 10-15.
14. Третьяков В. В. Воздействие на путь вагонов с повышенной осевой нагрузкой /
B. В. Третьяков, И. Б. Петропавловская, В. О. Певзнер, Т. И. Громова, И. В. Третьяков, К. В. Шапетько, И. С. Смелянская, А. С. Томиленко // Вестн. ВНИИЖТ. - 2016. - № 4. -
C. 233-238.
15. Чернышев М. А. Практические методы расчета пути / М. А. Чернышев. - М. : Транспорт, 1967. - 236 с.
16. Вериго М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава / М. Ф. Вериго, А. Я. Коган. - М. : Транспорт, 1986. - 560 с.
17. Шахунянц Г. М. Расчеты верхнего строения пути / Г. М. Шахунянц. - М. : Транс-желдориздат, 1959. - 264 с.
18. ЦПТ-52/14. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности. - М. : МПС РФ, 2000. - 40 с.
19. ГОСТ Р 55050-2012. Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний. - М. : Стандартинформ, 2013. - 15 с.
20. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. - М. : Стандартинформ, 2016. - 54 с.
21. Рахимов Р. В. Оценка силового воздействия подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками на верхнее строение пути железных дорог Республики Узбекистан / Р. В. Рахимов // Материалы XIV Междунар. науч.-технич. конференции «Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты». - СПб. : ПГУПС, 2019. - С. 269-272.
Дата поступления: 02.08.2019 Решение о публикации: 16.08.2019
Контактная информация:
РАХИМОВ Рустам Вячеславович - канд. техн. наук, доцент; rakhimovrv@yandex.ru
Assessment of the stress-strain behavior of structural elements of the railway superstructures in the Republic of Uzbekistan during the operation of rolling stock with increased axle loads
R. V. Rakhimov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Rakhimov R. V. Assessment of the stress-strain behavior of structural elements of the railway superstructures in the Republic of Uzbekistan during the operation of rolling stock with increased axle loads. Bulletin of scientific research results, 2019, iss. 3, pp. 67-88. DOI: 10.20295/2223-9987-2019-3-67-88 (In Russian)
Summary
Objective: To analyze the structural characteristics and provide the description of the main railway tracks' superstructures constructed in the Republic of Uzbekistan. Methods: The structural characteristics of the main railway tracks' superstructures of the republic have been analyzed. Results: The maximum dynamic loads from the rolling stock with increased axle loads acting on the railway tracks have been obtained. Theoretical studies have been carried out to determine the effect of increased axle loads of the rolling stock on the stress-strain behavior of the track superstructure elements and the roadbed. It has been established that the existing design of the main railway tracks of Uzbekistan with rails of type R65 (P65) and heavier, a sleeper density of 1840 pcs/km and more, and a stone bed thickness on the sub-ballast of at least 55 cm, provides sufficient strength and allows operating the freight rolling stock with increased axle loads of up to 27 tf at a speed of up to 90 km/h without overstressing the track superstructure elements and the roadbed. Practical importance: The study results will allow increasing the traffic capacity and reducing the operating costs of the busiest sections of the Uzbekistan railways.
Keywords: Uzbekistan railways, heavy haul development, axle load, impact on the track, stresses, track superstructures, rail, ballast, roadbed.
References
1. Strategia rasvitia JSC "O'zbekiston Temir Uollaria" v 2015-2019gody [Strategy of development of JSC "O'zbekiston Temir Yo'llari" for 2015-2019]. Tashkent, JSC "O'zbekiston Temir Yo'llari" Publ., 2015. Available at: http://www.railway.uz/ru/gazhk/strategiya_razvitiya (accessed: 01.08.2019). (In Russian)
2. Biznes-plan JSC "O'zbekiston Temir Vollaria" na 2019 god [Business Plan of JSC "O'zbekiston Temir Yo'llari"for 2019]. Tashkent, JSC "OTY" Publ., 2018, 72 p. Available at: http://www.railway.uz/upload/iblock/e90/e902e2b7d43da828f891b2f662621077.pdf (accessed: 01.08.2019). (In Russian)
3. Biznes-plan JSC "O'zbekiston Temir Vollaria" na 2018 god [Business Plan of JSC "O'zbekiston Temir Yo'llari"for 2018]. Tashkent, JSC "OTY" Publ., 2017, 44 p. Available at: http://www.railway.uz/upload/iblock/609/609214a07a254733f120fd666b397061.pdf (accessed: 01.08.2019). (In Russian)
4. Boronenko Yu. P. Vagony s uvelichennymi nagruzkami ot koles na rel'sy - rezerv povysheniya provoznoy i propusknoy sposobnosti zheleznykh dorog [Wagons with increased wheel loads on rails - a reserve for increasing the carriage and traffic capacity of railways]. Transport Rossiyskoy Federatsii [Transport of the Russian Federation], 2008, no. 5 (18), pp. 52-55. (In Russian)
5. Boronenko Yu. P., Tret'yakov A. V. & Zimakova M. V. Otsenka vozmozhnosti i ef-fektivnosti povysheniya osevykh nagruzok gruzovykh vagonov [Assessment of the possibility and effectiveness of increasing axle loads of freight cars]. Tekhnika zheleznykh dorog [Railway Equipment], 2017, no. 1, pp. 32-37. (In Russian)
6. Rakhimov R. V. Vybor napravleniy razvitiya vagonnogo parka zheleznykh dorog Uz-bekistana [Selection of directions for the development of the freight wagon fleet of the Republic of Uzbekistan]. Transport Rossiyskoy Federatsii [Transport of the Russian Federation], 2018, no. 1 (74), pp. 71-74. (In Russian)
7. Rakhimov R. V. & Ruzmetov Ya. O. Analysis of the state and prospects of the development of the freight wagon fleet of the Republic of Uzbekistan. Non-Ferrous Metals, 2018, vol. 44, no. 1, pp. 7-11.
8. Rakhimov R. V. Sostoyaniye i perspektivy razvitiya vagonnogo parka zheleznykh dorog Uzbekistana [State and prospects of the development of the freight wagon fleet of the Republic of Uzbekistan]. Materialy XIIIMezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Podvizhnoy sostav XXI veka: idei, trebovaniya, proyekty" [Proceedings of the XIII International Scientific and Technical Conference "Rolling Stock of the XXI Century: Ideas, Requirements, Projects"]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2018, pp. 124-128. (In Russian)
9. Titova T. S. & Boronenko Yu. P. Ekonomicheskaya effektivnost' uvelicheniya gruzopod"yemnosti vagonov [Economic efficiency of increasing the carrying capacity of wagons]. Zheleznodorozhny transport [The Railway Transport Magazine], 2018, no. 5, pp. 55-61. (In Russian)
10. Darby M. Technology for profit. Proceedings of 7th International Heavy Haul Association Conference, 2001, pp. 3-6.
11. Kaley S. & Allen R. Development of heavy axle load technologies in North America. Proceedings of International Heavy Haul Conference. Specialist Technical Session. High Technology in Heavy Haul, 2007, pp. 17-28.
12. Merheb A., Valente L., Marotta R., Moreira F. & Montoya R. Dynamic loads evaluation in existing railroad infrastructure under increasing axle loads and speed. Proceedings of 11th International Heavy Haul Association Conference, 2017, pp. 480-486.
13. Gapanovich V.A. Voprosy vzaimodeystviya podvizhnogo sostava i infrastruktury pri tyazhelovesnom dvizhenii [Issues of the heavy haul interaction of rolling stock and infrastructure]. Zheleznodorozhny transport [The Railway Transport Magazine], 2016, no. 10, pp. 10-15. (In Russian)
14. Tret'yakov V. V., Petropavlovskaya I. B., Pevzner V. O., Gromova T. I., Tret'yakov I. V., Shapet'ko K. V., Smelyanskaya I. S. & Tomilenko A. S. Vozdeystviye na put' vagonov s povy-shennoy osevoy nagruzkoy [Increased axle load wagons' impact on the track]. Vestnik VNIIZHT [Bulletin of the Railway Research Institute], 2016, no. 4, pp. 233-238. (In Russian)
15. Chernyshev M.A. Prakticheskiye metody rascheta puti [Practical methods of track calculation]. Moscow, Transport Publ., 1967, 236 p. (In Russian)
16. Verigo M. F. & Kogan A. Ya. Vzaimodeystviyeputi ipodvizhnogo sostava [Interaction of the track and rolling stock]. Moscow, Transport Publ., 1986, 560 p. (In Russian)
17. Shakhunyants G. M. Raschety verkhnego stroyeniya puti [Calculation of track superstructures]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1959, 264 p. (In Russian)
18. TsPT-52/14. Metodika otsenki vozdeystviya podvizhnogo sostava na put'po usloviyam obespecheniya ego nadezhnosti [ZhPT-52/14. Procedure for assessing the impact of rolling stock on the track according to the conditions of ensuring its reliability]. Moscow, Russian Ministry of Transport Publ., 2000, 40 p. (In Russian)
19. GOST R 55050-2012. Zheleznodorozhnyy podvizhnoy sostav. Normy dopustimo-go vozdeystviya na zheleznodorozhnyy put' i metody ispytaniy [GOST R 55050-2012. Railway rolling stock. Permissible exposure norms to the railway track and test methods]. Moscow, Standartinform Publ., 2013, 15 p. (In Russian)
20. GOST 33211-2014. Vagony gruzovyye. Trebovaniya kprochnosti i dinamicheskim kachestvam [GOST 33211-2014. Freight wagons. Requirements to structural strength and dynamic qualities]. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 54 p. (In Russian)
21. Rakhimov R. V. Otsenka silovogo vozdeystviya podvizhnogo sostava s povyshen-nymi osevymi nagruzkami na verkhneye stroyeniye puti zheleznykh dorog Respubliki Uzbekistan [Assessment of the force impact of rolling stock with increased axle loads on the the railway superstructures in the Republic of Uzbekistan]. Materialy XIV Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Podvizhnoy sostavXXIveka: idei, trebovaniya, proyekty" [Proceedings of the XIV International Scientific and Technical Conference "Rolling Stock of theXXI Century: Ideas, Requirements, Projects"]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2019, pp. 269-272. (In Russian)
Received: August 02, 2019. Accepted: August 16, 2019.
Author's information:
Rustam V. RAKHIMOV - PhD in Engineering, Associate Professor; rakhimovrv@yandex.ru
