CC BY
3
Железнодорожный путь,
гзвтскание и проектирование железных дорог
УДК 69.07
А. В. Сычева, А. А. Локтев, В. П. Сьгчев
Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)), г. Москва, Российская Федерация
СНИЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПУТЬ ПРИМЕНЕНИЕМ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БАЛЛАСТА
Аннотация Проводится оценка динамического воздействия на путь при применении новой технологии равномерного распределения и уплотнения балласта, отличной от известных способов, применяемых в технологии текущего содержания пути, в том числе суфляжа Рассматриваются недостатки известных способов выравнивания балласта под шпалами, традиционной подбивки балласта шпалоподбойкамц суфляжа механического с помогцью суфллжной лопаты и пневматического нагнетания мелких фракций балласта в полость между постелью шпалы под давлением Анализируется возможность снижения воздействия на путь применением нового предложенного в 2023 г. способа равномерного распределения балласта под шпалу, основанного на известном физическом явлении возвратно-поступательного движения шпалы под воздействием подвижного состава Под шпалу укладывают перфорированную оболочку с балластом с отверстиями от минимального размера фракции до максимального. Под нагрузкой колеса балласт выдавливается из отверстий, а при разгрузке перетекает в свободные места Оболочка также может быть использована в качестве демпфера Динамическое воздействие подвижного состава на шпалу, уложенную на оболочку, описывается уравнением вертикальных колебаний плоского элемента с трансверсально-изотропными механическими свойствами с постоянной толщиной вдоль и поперек железнодорожного пути соответственно.
Вертикальное перемегцение точек срединной плоскости шпалы определяется геометрическими и механическими характеристиками участка, при этом рассматриваются плоские элементы: по типам Филиппова И. Г., Тимошенко С. П., Кирхгофа - Лява Построен график изменения вертикальных перемегцений точек срединной поверхности шпалы, уложенной на перфорированную оболочку научастке в 50мпри движении экипажа с нагрузкой на ось в 25 т. Применение нового способа позволяет снизить динамическое воздействие на путь, скорость развития дефектов рельсов и заменить дорогостоящую технологию укладки подбалластных матов.
Ключевые слова: балласт, железнодорожный путь, суфляж, оболочка, шпащ колесо, воздействие, динамика, демпфер.
Anna V. Sycheva, Alexey A. Loktev, Vyacheslav P. Sychev
Russian University of Transport (RUT (MHT)), Moscow, Russian Federation
REDUCING THE DYNAMIC IMPACT OF ROLLING STOCK ON THE RAILWAY TRACK BY USING NEW TECHNOLOGY FOR BALLAST DISTRIBUTION
Abstract An assessment is mack of the dynamic impact on the track when using a new technology for uniform distribution and compaction of ballast, which is different from the known methods used in the technology ofongoing track maintenance, including soufjlage. The disadvantages of the known methods of leveling ballast under sleepers, traditional tamping of ballast with sleeper tampers, mechanical soufjlage using a soufjlage shovel and pneumatic injection ofsmall fractions of ballast into the cavity between the sleeper bed under pressure are considered The possibility of reducing the impact on the track is analyzed by using a new method proposed in 2023for uniform distribution of ballast under the sleeper, based on the well-known physical phenomenon of the reciprocating movement of the sleeper under the influence of rolling stock A perforated shell withballast with holes from the minimum fractionsize to the maximum is placed under the sleeper. Under wheel load, ballast is squeezed out of the holes, and when unloaded it flows into free spaces. The shell can also be used as a damper. The dynamic effect of the rolling stock on the sleeper laid on the shell is described by the equation of vertical vibrations of aflat element with transversally isotropic mechanical properties and constant thickness along and across the railway track, respectively.
The vertical movement of the pouts of the middle plane of the sleeper is determined by the geometric and mechanical characteristics of the section, while flat elements are considered: according to the types of Filippova I.G., Timoshenko S.P., Kirchhoff - love. A graph has been constructed of changes in the vertical displacements of points on the middle surface of a sleeper laid on a perforated shell over a section of 50 m when the crew is moving with an axle load of 25 tons. The use of a new method makes it possible to reduce the dynamic impact on the track, the rate of development of rail defects and replace the expensive technology of laying sub-ballast mat..
Keywords: ballast, railway track soufjlage, shell, sleeper, wheel, impact, dynamics, damper.
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
Неравномерное распределение балласта под шпалой вызывает появление длинных неровностей пути, дефектов рельсов, просадок, перекосов, толчков подвижного состава, трещин и изломов шпал [1, 2]. Чаще всего неравномерное распределение балласта под постелью шпалы возникает в середине шпалы.
Наиболее распространенный способ уплотнения балласта - подбивка балласта под шпалу вручную средствами малой механизации или механизированным способом с помощью выправочно-подбивочных отделочных машин.
Менее применяемый способ равномерного распределения балласта под шпалой - так называемый суфляж (см., например, Технический железнодорожный словарь. - М.: Государственное транспортное издательство, 1941), заключающийся в подсыпке порций балласта под шпалы. В основном указанный способ делится на известный давно и почти не применяемый механический суфляж с помощью так называемой суфляжной лопаты, на которую укладываются порция балласта, и на пневматический суфляж, заключающийся в том, что под шпалу вдувают заданную порцию балласта [3]. Недостатками механического суфляжа с помощью суфляжной лопаты являются высокая трудоемкость работ, преимущественно связанная с объемом подготовительных работ, а именно с освобождением от балласта торцов шпал, а также повышенная опасность использования лопаты, вызванная большими размерами лопаты, особенно со стороны междупутья, причем при интенсивном движении использование лопаты практически невозможно и, кроме того, ее применение требует определенных навыков и квалификации путевого рабочего.
Технология пневматического суфляжа разработана в семидесятых годах прошлого века британскими специалистами взамен известного способа выправки пути подбивкой балласта. Суть способа заключается в нагнетании мелкого щебня в полость между нижней поверхностью шпалы и постелью шпалы с помощью давления сжатого воздуха.
Однако и пневматический суфляж не менее трудоемок чем механический, так как требуются те же, что и при механическом суфляже, подготовительные работы, а именно отрывка балласта по концам шпал и в шпальных ящиках. При этом для пневматического суфляжа необходимо использовать воздуходувное устройство, связанное с компрессором, которое не всегда легко доставить на эксплуатируемый участок пути и эксплуатировать в перерывах между поездами или в специально выделенные технологические перерывы. В восьмидесятых годах прошлого века для железных дорог Великобритании фирмой Harsco Track Technologies была изготовлена машина для пневмосуфляжа на базе машины Plasser 06-16СТМ.
Широкого распространения машины для пневмосуфляжа не получили [4].
В 2023 г. предложен и запатентован новый простой способ выравнивания рельсовой нити распределением балласта под шпалу [5]. Суть способа заключается в использовании возвратно-поступательного движения шпалы под воздействием подвижного состава, позволяющего из укладываемой под шпалу оболочки выдавить через отверстия в оболочке балласт, предварительно уложенный в оболочку. Оболочка из износостойкого материала с множеством отверстий по размеру должна быть не меньше, чем размер фракции балласта, при этом оболочка может быть выполнена из металлической сетки. Балласт в оболочку может загружаться той же фракции, что укладывается в путь по ГОСТ 7392-2014, в частности, с размером зерен от от 30 до 60 мм, однако для более равномерного распределения эффективнее использовать щебень более мелкой фракции, например, 10-30 мм.
Объем балласта, потребного для выравнивания рельсовой нити, оценивается по результатам измерений отклонений рельсовой нити, причем для длинных неровностей допускается определять отклонения визуально, «на глаз». От шпалы отрывают балласт и приподнимают домкратами гаи иным подъемным устройством на высоту, позволяющую уложить одну или множество последовательно укладываемых оболочек и затем шпалу опускают на оболочку. Под действием поездной нагрузки шпала совершает возвратно-
поступательные движения, выдавливая из оболочки часть балласта, который заполняет свободные места под шпалой; часть балласта перетекает в свободную зону и уплотняется.
Числом и размерами отверстий в оболочке устанавливают скорость истечения балласта из оболочки. Материал для изготовления оболочки должен быть износостойким. Оболочка может быть выполнена из тканого, резинокордового или иного материала, в том числе, например, из металлической сетки [6].
На рисунке 1 приведена схема укладки перфорированных оболочек под несколько последовательно расположенных шпал, указаны позиции 1 - балласт; 2 - оболочка; 3 - шпала; 4 - рельс. Черные кружки обозначают примерное расположение точек контроля суммарных перемещений для определения напряженно-деформированного состояния.
ЗуЪооо
°оОоо
/Р
во о®о°о0о0о°о-
О ороороооро ООО
£
ООО^
о о о о с
X V //// /Х/Х77Х,
Рисунок 1 - Схема укладки перфорированных оболочек под шпалы: укладка оболочки под вывешенную шпалу (рельсошпальную решетку) (а); железнодорожный путь после укладки в эксплуатацию (б)
Скорость истечения балласта из оболочки V зависит от размеров ¿4 числа отверстий в оболочке п, веса поезда р и интенсивности движения на участке (поездов в час) м>\ V =/(4 п, р, м>).
Новая технология позволяет снизить динамическое воздействие на путь и скорость развития дефектов рельсов и заменить более дорогостоящую технологию укладки под балластных матов согласно ГОСТ Р 70258-2022.
Динамическое воздействие подвижного состава на путь в этом случае может быть описано уравнением вертикальных колебаний плоского элемента с трансверсально-изотропными
механическими свойствами [7, 8] с постоянной толщиной 2/г и размерами в плане 1\ и к, вдоль и поперек железнодорожного пути соответственно (вдоль осей х и у):
d2W
■ + А
d4W
dW
d3W
■ + Аз JT2 Ш + W + ^г + ¿6+ А7 — Д= — Ш, у, t),
2'dt4 ' ^at2"" 1 " 1 at ' at3 ' "'dt~~phJ
(i)
где Л у - характеристики, определяющие геометрическую и механическую анизотропию конструкции; Ш(х,у, /:) - поперечные колебания точек плоскости 2 = 0. Начальные условия нулевые:
Ж d2w d3W
W =-=-=-= 0.
dt dt2 dt3
В силу четности функции fz(x,y, t)решение уравнения (1) будем искать в виде:
г СО /-00
W(x, y,t) = I I W0(k, q, t) cos(kx) cos(qy) dxdq.
•'O -'0
(2)
(3)
Подставим выражение (3) в уравнение (1), для 1У0 получим обыкновенное дифференциальное уравнение:
dAW0 А6 Q3W0 А1+А3(к2 + q2) d2W0 As + А7(к2 + q2) 0Wo
at4 + T2~W+ A~2 ^
dt
(4)
(5)
А2 Л2
где /0 (к, д, 0 = /0га /0°° Л <Х У, 0•
Характеристическое уравнение для однородного уравнения (4) имеет вид:
_А6 А. + А^+д2)
В*~Т2;В* =-Т2-;
А5+А7(к2+д2) А4(к2+Я2у
Т2 ; В°~ ~г-'
Уравнение (5) имеет комплексные числа с отрицательными действительными частями, обозначим их:
= "«I ± *Р\. 4,4 = ± lP2> («/ > 0. Общее решение однородного уравнения (4) имеет вид:
Що = e~ait[Cx cos^t + С2 sin/?xt] + е~а*[С2 cos(32t + C4sin£2t].
(6) О)
Частное решение неоднородного уравнения (4) находится методом вариации произвольных постоянных и имеет вид:
+
где
д, 0 =
}цхА
•/о
А0= - + 20! - «г)2^2 + /?|) + 4а1а2(а1 - сг2)2 + (а? + а22)2]; Д1= (а\ + а\ - /?2 + /?| - 2а1а2); Д2= 2^2{ах - а2); Д3= (а2 + а| + £2 - /?| - 2«!^); Д4= -Д2. В случае, если рассматриваемый участок ограничен, два края пластины при у = 0,12
шарнирно оперты, т. е.
IV =
д2Ш
ду2
= 0, при у = 0,12,
(9)
а два другие (х = 0, имеют любые граничные условия.
Учитывая граничные условия (9), общее решение неоднородного уравнения имеет вид:
ЛЛО)
/
/
А0
(¿77 -4- Сх
Л 00 -
*Д207Шл)
А0
с1г1 + С3
/зОО -
/
уо
А0
А0
¿¿т; -I- С2
(¿?7 + С4
(Ю)
ДО)-
при нулевых начальных условиях все С; = 0.
Тем самым получено аналитическое решение задачи о колебании пластины, у которой два противоположных края шарнирно оперты, а два другие имеют произвольные граничные условия.
На рисунке 2 показано изменение вертикальных перемещений точек срединной поверхности шпалы на участке длиной Ь = 50 м при движении экипажа с нагрузкой на ось и 25 т.
Рисунок 2 - Зависимость вертикального перемещения точек подрельсового основания от длины участка переменной жесткости
Кривая под номером 1 на рисунке 2 получена при превышении изгибной жесткости вдоль рельсов на 20 % над жесткостью вдоль шпал, а кривая под номером 2 - при равных параметрах жесткости плоского элемента в направлении вдоль рельсов и вдоль шпал. Фактически данные соотношения примерно соответствуют эпюрам шпал 2000 пгп./кми 1840 шп./км. Графические зависимости имеют неярко выраженный экстремум, связанный с соотношением длины участка переменной жесткости и длиной вагона, т. е. фактически с количеством колесных пар, которые одновременно могут находиться на моделируемом плоском элементе.
Таким образом, наполняемые щебнем перфорированные оболочки прокладки укладываются в объеме работ, соответствующих объему работ по текущему содержанию пути, при этом жесткость пути распределяется равномерно, что позволяет избежать толчков и ударов. Варьируя параметры жесткости и геометрические характеристики, можно добиться, чтобы результирующие вертикальные перемещения не превышали нормативных значений, связанных со скоростью движения экипажа.
Список литературы
1. Каменский, В. Б. Справочник дорожного мастера и бригадира пути / В. Б. Каменский, JI. Д. Горбов. - Москва: Транспорт, 1985. - 487 с. - Текст : непосредственный.
2. Певзнер, В. О. Проблемы ведения путевого хозяйства на современном этапе / В. О. Певзнер. - Текст : непосредственный // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути : труды международной научно-технической конференции / ОАО «Российские железные дороги». Российский университет транспорта (МНИТ). - Москва, 2021. - С. 79.
3. Каллин, В. Н. Технология и определение применимости пневмосуфляжа при текущем содержании пути / В. Н. Каплин, А. А. Абрашитов, Е. Н. Гринь. - Текст : непосредственный // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). - 2020. - Т. 79. - № 2. - С. 74-79.
4. Абрашитов, А. А. Пневмосуфляж при выправке пути на щебёночном балласте /
A. А. Абрашитов. - Текст : непосредственный // Мир Транспорта. - 2012. - Т. 10. -№ 6 (44). - С. 56-60.
5. Патент № 2788986 Российская Федерация МПК Е01В 27/18 (2006.01). Устройство и способ выравнивания рельсовых нитей по уровню распределением балласта под шпалу: № 2022120187 : заявлено 22.07.2022 : опубликовано 26.01.2023, Бюл. № 3 / Сычев В. П. -Текст: непосредственный.
6. Патент № 215860 Российская Федерация МПК Е01В 27/02 (2006.01). Устройство распределения балласта под шпалы /' № 2022127411 : заявлено 21.10.2022 : опубликовано 30.12.2022, Бюл. №1 / Сычев В. П. -Текст : непосредственный.
7. Sychev V.P.,OvchinnikovD.V., Abdurashitov A.Yu., Pokatsky V.A., SychevaA.V. Ralls life cycle evaluation depending on the operating conditions. AIP Conference Proceedings 2476, 020010 (2023) doi: https://d0i.0rg/l0.1063/5.0104545.
8. Сычева, А. В. Энергетический подход к решению задачи взаимодействия колеса и рельса для железнодорожного пути оперативного развертывания / А. В. Сычева, А. А. Локтев,
B. П. Сычев. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. - № 4 (52). -
C. 96-105.
References
1. Kamensky V.B. Gorbov L.D. Spravochnic dorozjnogo master a I brigadira puti [Handbook of road foreman and track foreman]. Moscow, Transport Publ., 1985, 487 p. (In Russian).
2. Pevzner V.O. [Problems of track management at the present stage], Sovremennye problemy proektirovaniia, stroitel'stva i ekspluatatsii zheleznodorozhnogo puti: trudy mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii (Modern problems of design, construction and operation of
railway tracks: International Scientific and Technical Conference proceedings). Moscow, 2021, pp. 79 (In Russian).
3. Kaplin V.N., Abrashitov A. A., Grin' E.N. Technology and determination of the applicability of stone blowing at the current track maintenance. Vestnik Nauchno-issledovatel'skogo instituía zheleznodorozhnogo transporta — Russian Railway Science Journal, 2020, vol. 79, no. 2, pp. 74-79 (In Russian).
4. Abrashitov A.A. Pneumatic stone blowing for track straightening of stone bedded track. Mir transporta- World Of Transport And Transportation, 2012, vol. 10, no. 6 (44), pp. 56-60 (In Russian).
5. Sychev V.P. PatentRU2788986, 26.01.2023.
6. Sychev V.P. Patent RU 215860, 30.12.2022.
7. Sychev V.P., Ovchinnikov D. V., Abdurashitov A.Yu., Pokatsky V.A., Sycheva A.V. Ralls life cycle evaluation depending on the operating conditions. ATP Conference Proceedings 2476, 020010 (2023) doi: https://doi.Org/10.1063/5.0104545.
8. Sycheva A.V., Loktev A.A., Sychev V.P. Energy approach to solving the problem of interaction between a wheel and a rail for an operational deployment railway track. Izvestiia Transsiha - Journal of'Transsib Railway Studies, 2022, no. 4 (52), pp. 96-105 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сьгчсва Анна Вячеславовна
Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)).
Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, ГСП-4, 125190, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Здания и сооружения на транспорте», РУТ (МШТГ).
Тел.: +7 (925) 506-87-69.
E-mail: [email protected]
Локтев Алексей Алексеевич
Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)).
Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, ГСП-4, 125190, Российская Федерация.
Доктор физико-математических наук заведующий кафедрой «Транспортное строительство».
Тел.: +7 (495) 649-19-78.
E-mail: [email protected]
Сычев Вячеслав Петрович
Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)).
Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, ГСП-4, 125190, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Транспортное строительство».
Тел.: +7(985) 774-26-84.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Сычева, А. В. Снижение динамического воздействия подвижного состава на железнодорожный путь применением новой технологам распределения балласта / А. В. Сычева, А. А. Локтев, В. П. Сычев. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. -2024. - № 2 (58). - С. 82 - 88.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Sychcva Anna Vyachcslavovna
Russian University of Transport (RUT (MITT)).
9, b. 9, Obraztsova st, Moscow, GSP-4,125190, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Transport construction», RUT (MIIT).
Phone: +7 (925) 506-87-69.
E-mail: [email protected]
Loktev Alexey Alekseevich
Russian University of Transport (RUT (MIIT)).
9, b. 9, Obraztsova st, Moscow, GSP-4,125190, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, head of the department «Transport construction», RUT (MIIT).
Phone: +7 (495) 649-19-78.
E-mail: [email protected]
Sychev Vyacheslav Petrovich
Russian University of Transport (RUT (MIIT)).
9, b. 9, Obraztsova st, Moscow, GSP-4,125190, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, professor of the department «Transport construction», RUT (MIIT).
Phone: +7(985) 774-26-84.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Sycheva A.V., Loktev A.A., Sychev V.P. Reducing the dynamic impact of rolling stock on the railway track by using new technology for ballast distribution. Journal ofTranssib Railway Studies, 2024, no. 2 (58), pp. 82-88 (In Russian).
