CC BY
17
УДК 625.143.482
В. В. Атапин
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ УСЛОВИЙ И РЕЗЕРВА ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ В КРИВЫХ УЧАСТКАХ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ ПРИ ОТСТУПЛЕНИЯХ ОТ НОРМ СОДЕРЖАНИЯ В ПЛАНЕ
В статье рассматривается пример реализации методики оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане. Приводятся результаты исследований данной методики, описывается ее положительный эффект.
Методика оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане подробно описана в статье [1]. Сущность данной методики заключается в следующем.
Известно, что кривизна железнодорожного пути и соответствующий ей радиус кривой оказывают влияние на поперечную устойчивость бесстыкового пути в процессе эксплуатации. Кроме того, в статье [1] доказано и обосновано, что принятые до настоящего времени в качестве единственного показателя оценки состояния пути в плане и разграниченные по установленным скоростям движения поездов разности смежных стрел изгиба при различных расстояниях между их вершинами на ленте не могут быть использованы для определения и оценки условий и резерва поперечной устойчивости бесстыкового пути. Это связано прежде всего с тем, что данный показатель был определен еще до 1957 г. и установлен для загруженного звеньевого пути как показатель плавности движения поездов в сечении, где боковые и рамные силы ведущей оси экипажа взаимодействуют с рельсом. Использование только этого показателя для оценки условий и резерва поперечной устойчивости бесстыкового пути в кривых участках неправильно и некорректно по следующим причинам:
экспериментально доказано, что расчетным сечением для бесстыкового пути является незагруженный путь, и это отражено во всех технических указания (ТУ);
полученные нормы превышений температур [А/у] экспериментально установлены также для незагруженного пути и приняты как функция от радиуса кривых [2] и др.
Известно, что в настоящее время кривизна железнодорожного пути и соответствующий ей радиус кривой измеряются путеизмерительными средствами, в основном вагонами-путеизмерителями. Однако кривизна, получаемая данными средствами, является текущей (мгновенной) и не может быть использована для оценки условий устойчивости бесстыкового пути в кривых участках пути. Необходимо использовать ее осредненные значения.
Таким образом, в результате проведенного исследования было установлено [1], что для оценки и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане необходимо использовать значения кривизны железнодорожного пути, осредненные на длине, равной 4 и 20 м.
Кривизна, осредненная в кривых на длине 20 м и называемая базовой длиной, объясняется тем, что она формируется в процессе укладки рельсошпальной решетки и поддерживается рихтовкой в процессе эксплуатации пути по показаниям вагонов-путеизмерителей. При этой кривизне формируется начальное напряженное состояние рельсовых плетей и происходит его изменение при изменении температуры рельсовых плетей в процессе эксплуатации. Именно поэтому базовую кривизну можно считать как систему отсчета, относительно которой можно определять изменение кривизны на локальных участках при текущем содержании пути. Длина осреднения кривизны 20 м обосновывается также базой вагонов-путеизмерителей (17 м), принятой по конструктивным соображениям, длиной хорды для измерения вагоном-путеизмерителем параметров кривых (21,5 м), а также пересчетом замеренных значений параметров кривых к хорде длиной 20 м.
Кривизна, осредненная в кривых на длине 4 м и называемая длиной короткой неровности, экспериментально обосновывается и доказывается в исследованиях венгерских ученых, получивших значения длины упругих изгибов рельсошпальной решетки в плоскости пути при нагреве рельсовых плетей в кривых различных радиусов [1, 3]. Именно поэтому на данной длине происходит начальное зарождение и развитие отступлений в плане, а значит, и необходимость осреднения измеренной (мгновенной) кривизны и выявления данных неровностей с целью дальнейшего определения условий и резерва поперечной устойчивости.
Следовательно, для определения и оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане первоначально с помощью путеизмерительных средств непрерывно измеряют кривизну рельсовых плетей в плоскости железнодорожного пути.
Далее на основании измеренной (мгновенной) кривизны определяют осредненную кривизну в пределах круговой кривой на базовой длине, т. е. на длине 20 м, и осредненную кривизну на заданной длине короткой неровности, т. е. на длине 4 м.
Затем определяют максимальные по амплитуде значения осредненной кривизны в пределах круговой кривой на базовой длине и максимальные значения осредненной кривизны в пределах круговой кривой на заданной длине короткой неровности.
Далее вычисляют для каждой круговой кривой расчетную минимальную температуру закрепления рельсовых плетей (min t3) по формуле:
mm t3 = ^ - [Аty ]. (1)
Потом, зная, что максимальное значение кривизны, осредненной на длине короткой неровности, т. е. на длине 4 м, является местом с наименьшим значением радиуса кривой и ослабляющим поперечную устойчивость пути, а максимальное значение осредненной кривизны на длине 20 м - базой для отсчета, рассчитывают отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей от первоначальной (At^x) по формулам:
АtриX = Кэп • 9360(Ккн - КБДН) = Кэп • 9360(К4м - К2(,м) (2)
или
Чих = Кэп • 9360(R- --L-) = Кэп • 9360(-L - JL), (3)
RKH ^БДН R4u R20u
где Кэп - коэффициент, учитывающий количество шпал на один километр пути. Принимается равным единице при R < 1200 м и 0,92 при R > 1200 м.
Далее определяют новую фактическую температуру закрепления рельсовых плетей (^.рих) по формуле:
t = t -Аt . (4)
о.рих з рих v s
Затем проверяют условие устойчивости круговой кривой
^.рих ^ mm ^ (5)
и находят температурный резерв поперечной устойчивости бесстыкового пути в пределах круговой кривой (AAtp,m) по формуле:
ААt = t - min t. (6)
рих о.рих з
Затем судят о состоянии рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути. Рассмотрим пример реализации данной методики.
Место укладки кривой: направление Рязань - Инза, участок Воеводской - Качелай Куйбышевской железной дороги, путь - 1,655 км; административная структура - ПЧ-20/ ПЧУ-3/ПД-3/ПДБ-3; установленные скорости - 100/80/60 км/ч. Конструкция пути: рельсовые плети из рельсов Р65, шпалы железобетонные, балласт щебеночный, рельсовые плети уложены и закреплены на шпалах при температуре = 34 °С, радиус кривой по паспорту (Яп) - 649 м, ожидаемая летняя температура для оценки резерва поперечной устойчивости бесстыкового пути /ож = /тах = 58 °С, допускаемое повышение температуры рельсовых плетей (из таблицы П.2.1 [1]) [Л/у] = 44 °С, интервалы осреднения кривизны (мгновенной) пути - 4 и 20 м. Все данные взяты по состоянию на июнь 2012 г.
Первоначально непрерывно измеряют кривизну (мгновенную) рельсовых плетей в плоскости пути с помощью вагона-путеизмерителя КВЛ-П2.1. Замеренная кривизна рельсовых плетей приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Кривизна (мгновенная) рельсовых плетей в плоскости пути, измеренная на участке Воеводское - Качелай (путь 1) с помощью вагона-путеизмерителя КВЛ-П2.1
Определяют осредненную кривизну рельсовых плетей на длине короткой неровности, т. е. на длине 4 м, и осредненную кривизну рельсовых плетей на длине базовой неровности, т. е. на длине 20 м (рисунок 2).
Рисунок 2 - Кривизна рельсовых плетей в плоскости пути, полученная путем осреднения мгновенной кривизны
на длине 4 и 20 м на участке Воеводское - Качелай (путь 1)
Зная, что на поперечную устойчивость бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане оказывают влияние места с наибольшей кривизной или наименьшим значением радиуса, определим данные места [4]. Максимальная кривизна рельсовых плетей в пределах круговой кривой при осреднении на длине 4 м (Х4м) находится в точке 1 и равна 0,002968 1/м (см. рисунок 2), что соответствует радиусу Я4м, полученному по данной кривизне, равному 337 м (рисунок 3). Максимальная кривизна рельсовых плетей в пределах круговой кривой при осреднении на длине 20 м (К20м) находится в точке 2 и равна 0,001798 1/м (см. рисунок 2), что соответствует радиусу ^20м, полученному по данной кривизне, равному 556 м (см. рисунок 3).
-Радиус, полученный путем осреднения кривизны (мгновенной) пути на дпине4 мгм
-Радиус, полученный путем осреднения кривизны (мгновенной) пути на дпине 20 мг м
Рисунок 3 - Радиус круговой кривой, полученный по кривизне рельсовых плетей, осредненной на длине 4 и
20 м, на участке Воеводское - Качелай (путь 1)
Далее определяют для рассматриваемой круговой кривой расчетную минимальную температуру закрепления рельсовых плетей по формуле (1):
min t3 = 58 - 44 = 14(°С).
Затем определяют отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей в пределах круговой кривой по следующим формулам (2):
А ^их = 1 • 9360(0,002968 - 0,001798) = 11,0 (°С)
или
At = 1- 9360(—----) = 11,0 (°С).
р 337 556
Определяют новую фактическую температуру закрепления рельсовых плетей в пределах круговой кривой по формуле (3):
^.рих = 34 -11 = 23 (°С).
А затем проверяют условие устойчивости круговой кривой, исходя из неравенства (5):
23 (°С) > 14 (°С), условие выполняется.
Далее вычисляют температурный резерв поперечной устойчивости бесстыкового пути в пределах круговой кривой, определяемый по формуле (6),
АА t рих = 23 -14 = 9 (°С)
и судят о состоянии рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути.
В данном примере наглядно видно, что условие устойчивости в пределах исследуемой круговой кривой выполняется, температурный резерв АА^рих составляет 9 °С. К тому же, положительный эффект данной методики заключается и в том, что определение осредненной кривизны на длине 4 м (длина короткой неровности) способствует выявлению реально существующего участка (места) кривой с наибольшей кривизной (т. е. с наименьшим радиусом), которая оказывает непосредственное воздействие на поперечную устойчивость бесстыкового пути, а определение осредненной кривизны на длине 20 м является базой для отсчета максимальной кривизны.
Помимо этого примера в таблице 1 представлены результаты исследований других кривых Куйбышевской железной дороги, в которых на основании данной методики была произведена проверка условия устойчивости бесстыкового пути и подсчитан температурный резерв.
Таблица 1 - Результаты исследований
Но- Участок Rn, м Осредненная кри- ts, min t3, AtрИX, tо.рих, Условие AAV
мер визна пути, 1/м °С °С °С °С устойчи- °С
п/п К4м К20м вости ^.рих > min tj
Октябрьск — 30,0 > 18
1 Правая Волга (1 путь) Балашейка — 615 0,002316 0,001884 34 18 4,0 30,0 (выполн.) 29,5 > 20 12,0
2 Новообразцовое (1 путь) Вырыпаевка — 504 0,002803 0,002106 36 20 6,5 29,5 (выполн.) 22,8 > 15 9,5
3 Базарная (путь 1) Барыш — 654 0,002853 0,001766 33 15 10,2 22,8 (выполн.) 28,1 > 9 7,8
4 Поливаново (путь 1) Вырыпаевка — 1081 0,001917 0,001181 35 9 6,9 28,1 (выполн.) 28,4 > 16 19,1
5 Базарная (путь 1) Кузоватово — 599 0,002319 0,001826 33 16 4,6 28,4 (выполн.) 26,0 > 11 12,4
6 Безводовка (путь 2) Кузоватово — 852 0,002359 0,001395 35 11 9,0 26,0 (выполн.) 21,6 > 9 15,0
7 Безводовка (путь 2) Безводовка — 1070 0,002618 0,001181 35 9 13,4 21,6 (выполн.) 21,7 > 13 12,6
8 Рачейка (путь 2) Рачейка — Ба- 943 0,002347 0,001243 32 13 10,3 21,7 (выполн.) 25,2 > 15 8,7
9 лашейка (путь 2) Балашейка — 739 0,002521 0,001579 34 15 8,8 25,2 (выполн.) 26,6 > 18 10,2
10 Новообразцовое (путь 2) 600 0,002905 0,002002 35 18 8,4 26,6 (выполн.) 8,6
Таким образом, на основании полученных результатов исследования можно сделать вывод о том, что использование представленной методики помогает достаточно легко и просто определить состояние рельсовых плетей в кривых участках бесстыкового железнодорожного пути при отступлениях от норм содержания в плане, а точнее:
— рассчитать отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей от первоначальной;
— вычислить новую фактическую температуру закрепления рельсовых плетей;
— проверить условие устойчивости бесстыкового железнодорожного пути;
— определить температурный резерв устойчивости.
Кроме того, применение данной методики на всем полигоне бесстыкового железнодорожного пути позволит не только заблаговременно определять с точностью до метра то место, где произошло ослабление поперечной устойчивости бесстыкового пути, и осуществлять постоянный контроль за изменениями фактической температуры закрепления рельсовых плетей при отступлениях от норм содержания в плане, но и решать с ее помощью следующие задачи:
— выделять и ранжировать участки с отступлениями от норм содержания в плане по степени опасности;
— принимать в случае необходимости меры по устранению ослабления поперечной устойчивости бесстыкового пути;
— накапливать полученную информацию и на основании ее делать прогноз о состоянии рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути и др.
Список литературы
1. Атапин, В. В. Методика оценки условий и резерва поперечной устойчивости в кривых участках бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания в плане [Текст] / В. В. Атапин / Вестник транспорта Поволжья. - 2012. - Вып. 1 (24). - С. 47 - 52.
2. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути [Текст] / МПС России. - М.: Транспорт, 2000. - 96 с.
3. Надь, И. Исследования явлений, вызываемых температурными напряжениями в бесстыковом пути [Текст]: Пер. с венг./ И. Надь. - М., 1976.
4. Ершов, В. В. Устойчивость бесстыкового пути при отступлениях от норм содержания [Текст] / В. В. Ершов // Путь и путевое хозяйство. - 2008. - № 3 - С. 13 - 15.
УДК 625.143:620.19
В. П. Кутовой, А. П. Шабанов, М. М. Шакиртов
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕРШИНЫ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ В ГОЛОВКЕ РЕЛЬСА
Рассмотрена возможность развития усталостных трещин в поле внешних сжимающих напряжений. Построена конечноэлементная модель, имеющая узкий трещиноподобный дефект с вершинами, очерченными по окружности, которая нагружалась пульсирующей сжимающей нагрузкой. Анализировалось напряженно-деформированное состояние в вершине этого дефекта по истечению каждого полуцикла нагружения. Показано, что такая нагрузка вызывает в исследуемой области симметричный цикл нагружения с существенными сжимающими и растягивающими напряжениями. В процессе роста количества циклов нагружения абсолютная величина этих напряжений увеличивается. Полученные результаты позволяют построить возможные схемы развития контактно-усталостных и усталостных повреждений в рельсах.
Наиболее опасные дефекты, возникающие в процессе эксплуатации рельса, имеют усталостный и контактно-усталостный характер. Как правило, эти трещины появляются в тех зонах рельса, которые нагружены преимущественно сжимающими напряжениями. К таким повреждениям можно отнести, например, трещины по рисункам 11, 21 и другие в работах [ 1,2] (рисунки 1, 2).
88 ИЗВЕСТИ Я Транссиба |№, 0113)
