Влияние вибродинамического воздействия движущегося поезда на устойчивость опор контактной сети и безопасность перевозочного процесса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ТюпинВ.Н. УДК 624.13.54

ВЛИЯНИЕ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОЕЗДА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ И БЕЗОПАСНОСТЬ ПЕРЕВОЗОЧНОГО ПРОЦЕССА_

Содержание опорного хозяйства железных дорог сопряжено со значительными трудностями и экономическими затратами. Кроме того, своевременное решение проблемы обеспечения устойчивости опор контактной сети и воздушных линий электроснабжения обеспечивает необходимый уровень безопасности при движении поездов.

В работах [1,2] указано, что основной причиной неустойчивости опор контактной сети является пучинистость сезонно-мерзлых грунтов. Авторы считают, что именно сезонные процессы пучения и осадки грунтов, повторяющиеся из года в год, выпучивают (постепенно выдавливают из грунта) опоры контактной сети с потерей их устойчивости, что приводит к их падению. Здесь же авторы говорят о том, что эксплуатационные нагрузки ускоряют потерю устойчивости опор.

Однако, в плане выпучивания опор контактной сети имеются некоторые возражения. Наблюдения за столбами и опорами находящимися в Читинской области (глубина сезонного промерзания грунтов достигает 4 м) вдали от железных дорог показали, что они как правило не выпучиваются и из года в год находятся в стабильном, устойчивом состоянии. Вместе с тем на Забайкальской железной дороге только в 2004 г. выправлено и закреплено 2415, а заменено 335 опор контактной сети, на что потребовалось 1196 окон в движении поездов общей продолжительностью 2631 час — 30% от продолжительности года. В 2005 г. количество неустойчивых опор увеличилось [2].

Приведенный анализ показал, что на устойчивость опор контактной сети существенное влияние оказывают эксплуатацион-

ные нагрузки — вибродинамическое воздействие движущихся поездов.

Целью настоящей статьи является определение степени влияния вибродинамических нагрузок на устойчивость опор контактной сети, установление зон действия поездных нагрузок вблизи опор, а также критерия устойчивости опор.

Натурные наблюдения и физико-технический анализ взаимодействия подвижного состава позволил разработать механизм воздействия подвижного состава на балласт, земляное полотно и основание, который заключается в распространении волн деформаций от движущихся колес. Это сопровождается трением между частицами щебня в балласте, уплотнением земляного полотна вертикально вниз и смещением земляного полотна горизонтально вбок. Процесс смещения земляного полотна вбок, при наличии опоры контактной сети, создает между шпалой и опорой зону уплотнения (рис.1). За опорой создается зона «кавитации» с разуплотнением в этой зоне земляного полотна. Зона уплотнения выдавливает верхнюю заглубленную часть опоры, обеспечивая ее наклон от железнодорожного пути. Зона «кавитации» образуется за счет горизонтального смещения земляного полотна от железнодорожного пути вне опоры (рис.1).

Вначале определим величину напряжения создаваемого волной деформаций в балласте, земляном полотне и основании под действием движущегося колеса по рельсу. Согласно [3] инженерная формула расчета величины сжимающего напряжения имеет вид

чч до

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

Рис.1. Схема к образованию зон деформаций земляного полотна вокруг опоры контактной сети. 1-рельс, 2 - шпалы, 3- опора контактной сети, 4- зона уплотнения, 5 - зона «кавитации».

а( г ) =

ти яЯ

Ьш + Атд

(я 2 + ьш)

- Я

Фк Е,

Ф 3 кТ 3

+—^^ +

Е

Ф

Ег

где т - масса части железнодорожного вагона, действующей на данное колесо; и - скорость поступательного движения колеса; я = 3,14; Я — радиус колеса; Ьш — ширина шпалы; Фб - показатель деформируемости балласта; Еб - модуль упругости горной породы балласта; Ф3-показатель деформируемости земляного полотна; Ф3 - модуль деформации земляного полотна; г —расстояние от контакта колесо-рельс до рассматриваемой точки; Ф0 - показатель деформируемости основания; Е0 - модуль упругости основания; кТб - относительные затраты энергии на трение в балласте; ктз - относительные затраты энергии на трение в земляном полотне, д- ускорение свободного падения.

Упрощенная формула расчета величины сжимающих напряжений с учетом средних величин параметров и констант (я = 3,14, R = 0,5м, Ьш = 0,25м, д = 9,8 м/с2, Еб = 5-10Па, Е3 = 3-107Па, кТб = 7, кТ3=2, Фб =300, Ф 3 = 1) имеет вид

ленной части опоры равно г = 3,5м, до нижней г = 7,0м. Расчеты по формуле (1) или (2) при (1) т=104 кг, и = 20 м/с, Ф0 = 1, Е0 = 1010 Па (мерзлый суглинок) показывают, что для верхней заглубленной части опоры сжимающее напряжение составляета(г)= 3,8-105Па. Для нижней части опоры - ан (г) =1,3-105 Па, что в 3

раза меньше, чем для верхней.

Очевидно, что это и является одной из причин наклона опоры в сторону от железнодорожного пути. Следует также отметить, что сопротивление земляного полотна в верхней заглубленной части опоры со стороны откоса будет существенно меньше чем нижней. Это связано с углом естественного откоса земляного полотна (рис.2) . Натурные наблюдения вдоль железнодорожного пути расположенного на берегу озера Кенон в г. Чита, в районе

а

( г ) =

0,16 ти2 + 2,3 т

10,8-10-8 +

Ф

Е

(2)

'0 /

Определим численно величину а(г) в верхнем и нижнем участках заглубленной части опоры (рис.2). Расстояние от рельса до верхней заглуб-

Рис.2. Схема к расчету величины сжимающих напряжений в верхнем и нижнем участках заглубленной части опоры. 1-опора, 2- шпала, 3- балласт, 4- направление действия волн деформаций.

1

г

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

6190 км показали следующее. Из 20 опор со стороны берега 13 (65%) наклонены в сторону озера. Более удаленный от берега ряд опор имеет наклонными 6 опор (30%) из 20. Это указывает на существенное влияние вибродинамического воздействия и расположения откоса земляного полотна на устойчивость опор контактной сети.

Важно определить критерий устойчивости опор контактной сети. Очевидно, что если центр тяжести опоры при ее наклоне выйдет за плоскость основания, то опора будет неустойчивой, так как в процессе дальнейшего ее наклона принимает участие потенциальная энергия гравитации опоры (рис.3).

Опора будет устойчивой в том случае, если величина относительных деформаций определяется из выражения

А

е <—, Л

(3)

где А- величина перемещения опоры в бок, Л-ширина зоны «кавитации».

С другой стороны величину относительных деформаций можно определить по известной формуле

' )

Е,

(4)

ЛЬГ

(6)

Помимо этого, из геометрических соображений (рис. 3) можно составить пропорцию

— = (5)

Н3 0.5! 0

где Н3 - глубина установки опоры, Я0- диаметр опоры в нижней части, Ь0 - высота опоры.

Сопоставляя (3), (4) и (5) получим критерий устойчивости опоры контактной сети

[а(г)]< 2Е-Н3Ко

То есть, величина сжимающего напряжения от вибродинамического воздействия движущегося поезда не должна превышать величины в правой части (6). С увеличением модуля деформаций земляного полотна, глубины установки опоры и ее радиуса поездные нагрузки можно увеличивать без потери устойчивости опоры. Численные расчеты показывают, что устойчивой опора будет при сжимающем напряжении создаваемым подвижным составом равном не более 6-106 Па. Это на порядок больше, чем расчетная величина ст(г) от действия подвижного состава, то есть опора устойчива. Величина ст( г) получена при Езп = 3107Па Н3= 4м, Я0= 0,25м, Л = 2,0м,

Рис.3. Схема к определению критерия устойчивости опоры контактной сети.1 - опора, 2- зона «кавитации».

Ь0п = 10м. Однако многократность воздействия колес подвижного состава увеличивает ст(г) за счет суммирования напряжений и, как правило, приводит к постепенному наклону опор контактной сети.

Анализ полученных результатов позволяет предложить ряд технических решений по повышению устойчивости опор контактной сети. Сюда относится глубина установки опоры в зависимости от упругих свойств основания, изменение физико-технических свойств земляного полотна зоны «кавитации», установка между шпалой и опорой материалов с особыми физико-техническими и геометрическими параметрами.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение. — М.: МГУ.- 1967. — 315с.

2. Кондратьев В.Г. Стабилизация земляного полотна и опор контактной сети. — Чита: ЧитГУ. - 2005. - С.32-37.

3. Тюпин В.Н. Оценка вибродинамического воздействия движущегося поезда на физико-технические свойства многолетней мерзлоты. — Труды научно-технической конференции в связи с 75-летием ПТКБ ЦП ОАО РЖД. — «Путь и путевое хозяйство». — М.: 2007. - С.65-69.