CC BY
21
УДК 624.21.014.2:656:625.143.482 Стоянович Геннадий Михайлович,
д. т. н., заведующий кафедрой «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» ДВГУПС,
тел. 8-914-776-93-62 Змеев Константин Владимирович, начальник технологического сектора по путевому хозяйству Хабаровского опытно-конструкторского бюро «Путевые машины» -структурного подразделения проектно-технологическо-конструкторского бюро по пути и путевым машинам -
филиала ОАО «Российские железные дороги» (ОКБ «ПМ» ПТКБЦП ОАО «РЖД»)
тел. 8-924-106-37-19, e-mail: okb_zmeevkv@upr.dvgd.ru
ЗАВИСИМОСТЬ ДЕФОРМАЦИЙ БЕССТЫКОВЫХ ПЛЕТЕЙ И ПРОДОЛЬНЫХ БАЛОК ФЕРМ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МОСТА
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
G.M. Stoyanovich, K.V. Zmeev
WELDED RAILS AND METAL BRIDGE LONGITUDINAL GIRDERS OF TRUSSES DEPENDENCE ON TEMPERATURE
Аннотация. Приведены результаты натурных измерений температуры воздуха в зоне мостового перехода, температуры рельсов на подходах, на мосту и продольных балок металлических ферм. Определены температурные деформации продольных балок ферм и изменения стыковых зазоров в зоне уравнительных рельсов.
Ключевые слова: бесстыковые плети, температура, деформации, стыковой зазор.
Abstract. The results of in situ air temperature measurements within a bridge zone, rails in approaches to bridges, on a bridge and longitudinal girders of metal trusses are given. The temperature induced deformations of longitudinal girders and variations of joint spacing within surge rails zone are defined.
Keywords: welded rails, temperature, deformations, joint spacing.
Для определения условий укладки и уточнения действующих технических норм эксплуатации
бесстыковой конструкции пути с уравнительными рельсами [1, 2] при большом годовом перепаде температур рельсов выполнены натурные испытания. В связи с реконструкцией одного из мостовых переходов на Дальневосточной железной дороге в качестве нового типа верхнего строения пути был уложен бесстыковой путь с уравнительными рельсами. Схема укладки и закрепления бесстыкового пути приведена на рис. 1.
В соответствии с проектом на мосту уложены бесстыковые плети длиной по 208,47 м с четырьмя уравнительными рельсами, в т. ч. двумя сезонносменяемыми весной и осенью. Рельсовые плети имеют зону жесткого и свободного прикрепления к подрельсовому основанию, выполненного плитами БМП [3, 4].
Необходимость натурных наблюдений после укладки бесстыкового пути связана прежде всего с большим для железных дорог России температурным пролетом величиной 258,43 м, наличием на верхнем поясе ферм ортотропной плиты для
Рис. 1. Схема укладки и закрепления бесстыкового пути с уравнительными рельсами: 1 - уравнительные рельсы; 2 - зона жесткого закрепления плетей; 3 - неподвижная опора; 4 - подвижная опора
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
автомобильного проезда, большим годовым перепадом температур рельсов на мосту от -43 °С до +50 °С, значительными суточными колебаниями температур рельсов до 40-45 °С, рельсы по левой нити закрыты от прямого солнечного воздействия, а по правой - большую часть дня, в том числе в наиболее жаркое время - открыты, на подрельсо-вое основание в конце моста передаются тормозные силы в связи с ограничением скорости в горловине станции.
Условия проведения эксплуатационных
наблюдений
Бесстыковые плети и уравнительные рельсы типа Р65 изготовлены в Японии фирмой «Ниппон Стил» (VT Nippon Steel). Температура рельсов при укладке и закреплении плетей и сборке стыков была в пределах -6°С на головке рельсов на солнце, -12 °С на головке рельсов в тени, -8... -10 °С на шейке рельсов с теневой стороны.
Расположение мостового перехода практически с запада на восток (под углом 13°) определяет неравномерную освещенность солнцем правой и левой рельсовых нитей. При низком горизонте солнца в осенне-зимний периоды обе рельсовые нити попадают под солнечное освещение в течение дня. В весенне-летние периоды при подъеме, достижении наивысшей точки в зените и снижении горизонта солнца правая рельсовая нить в наиболее жаркий период находится под солнечными лучами, левая - в тени.
Кроме того, на рельсы падает тень от боковых элементов фермы. По мере движения солнца с востока на запад в течение дня величины теневых участков существенно меняются. По результатам замеров в тот момент, когда тень перпендикулярна рельсовым нитям, общая ее величина от фермы составляет 19,1 %. В это время наблюдается наиболее жаркий момент дня.
Продольные балки ферм под плитами БМП находятся постоянно в тени, лишь правая в небольших верхних зонах попадает под солнечные лучи.
Изменение температуры воздуха, рельсов в зоне мостового перехода и температуры продольных балок ферм
Наблюдения за температурой воздуха и рельсов на левом подходе к мосту с апреля по октябрь велись с помощью метеостанции и рельсового стенда (рис. 2) с непрерывной записью показаний самописцами на ленту сотрудниками геобазы службы пути. В результате обработки данных записи нами получены экстремальные значения температур воздуха и рельса за этот период за каждые сутки.
а)
б)
Рис. 2. Общий вид рельсового стенда (а) и внешний вид самописца (б)
Для сопоставления полученных данных дополнительно взяты показания метеостанции города. Анализ несовпадения температур воздуха по данным метеостанции моста и города показывает следующее.
В подавляющем большинстве случаев суточная температура воздуха в зоне моста как минимальная, так и масимальная на 2-3 °С выше городской. В некоторых случаях, как правило для минимальных суточных значений, она ниже на 2-3 °С. Наибольшее несовпадение в сторону увеличения в зоне моста достигает 7 °С в июне, в сторону уменьшения - 4 °С в мае и октябре. За период с апреля по октябрь наибольшее несовпадение температур воздуха достигает 11 °С.
Эти результаты свидетельствуют о том, что для накопления статистического материала, его обработки и получения взаимосвязи температуры воздуха в городе и в зоне мостового перехода необходимы дальнейшие наблюдения в годовом цикле, особенно при температурах, близких к экстремальным.
Изменение величины температуры воздуха и рельса на левом берегу моста в течение мая приведено в виде графиков на рис. 3. На графике кружочками показаны экстремальные суточные температуры воздуха по данным метеостанции города.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 3. Изменение температуры воздуха и рельса на левом берегу моста в мае: о - температура воздуха в г. Хабаровске по данным метеостанции; • - температура воздуха по данным метеостанции у моста; х - температура рельса по данным рельсового стенда
В течение мая температура воздуха колебалась в пределах от -1 °С до +31,5 °С. Резкое изменение температуры происходило в начале и конце второй декады месяца. Так, в течение двух суток с 16 по 18 мая температура с +31,5 °С снизилась до +6 °С, а температура рельсов на подходах с +51,5 °С до +6 °С, перепад - 45,5 °С.
В течение второй декады отмечены и большие суточные колебания температуры: воздуха до 18-20 °С, рельсов на подходах до 38-40 °С.
Измерение температуры рельсов и продольных балок фермы на мосту велось термометром немецкой фирмы «Интерсистемы» ТетрТес с точностью показания до 0,1 °С в диапазоне температур от -50 °С до +70 °С.
Продольные балки ферм сверху прикрыты плитами БМП, поэтому левая балка всегда находилась в тени, а правая -попадала под солнечные лучи в верхних небольших зонах.
Температура рельсов на мосту и на подходах к нему в зимний период практически одинаковая, небольшие колебания находятся в пределах точности измерения. Весной температура на подходах зарегистрирована выше на 2,3 °С и ниже на 0,7 °С. В летний период при наличии облачности температура на подходах выше, чем на мосту, на 8,5 °С. Наибольшая разница наблюдалась на правом берегу в зоне скальной выемки. Так, 15 июля максимальная температура воздуха по данным городской метеостанции была +32 °С, по данным метеостанции моста +30 °С; температура рельсов на мосту +40,1 °С, температура рельсов на правом подходе +53 °С. Разница температур рельсов на мосту и на подходе составила 12,9 °С. Разница температуры рельса и воздуха достигла 23 °С.
Кроме того, существует разность температур рельсов, расположенных над руслом реки с водой и над поймой без воды, когда русло и пойма имеют ширину около одного километра. При измерениях в утренние часы 18 июня в тени разность со-
ставила 2 °С.
Осенью наибольшее отличие температур на подходах и на мосту достигало 6 °С.
Зависимость продольных перемещений пролетных строений от температуры Изменение расстояния между продольными балками ферм на стыке двух пролетных строений регистрировалось с помощью металлической линейки с точностью до 1 мм над двумя опорами.
Зависимость продольных перемещений от температуры продольных балок ^^ имеет прямо-пропорциональный характер (рис. 4) и описывается следующим выражением:
/ — с —а- , (1)
где I - расстояние между торцами продольных балок, см;
с - зазор между торцами продольных балок при нулевой температуре балок = 0 °С);
а - коэффициент, определяемый на основании натурных испытаний.
Величина коэффициента а по результатам подбора экспериментальных зависимостей находится в пределах 0,307-0,324 и составляет среднюю арифметическую величину 0,316.
Разброс данных измерения до 2-3 мм объясняется наличием сил трения в подвижных опорных частях ферм, неравномерным нагревом или охлаждением различных элементов ферм и скачкообразным характером изменения длины пролетных строений после преодоления сил трения.
В диапазоне измеренных температур от -30 °С до +30 °С изменение расстояния между торцами продольных балок ферм составило около 20 см. Удельная величина изменения расстояния при перепаде температуры на 1 °С равна 3,3 мм.
Если проэкстраполировать полученные данные на экстремальный годовой перепад температур от -40 °С до +50 °С, то расстояние между продольными балками изменится практически на 30 см.
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Продольные смещения рельсовых плетей относительно пролетных строений
Данные измерения велись относительно постоянных створов. В качестве створов в конце рельсовой плети № 1 и в начале рельсовой плети № 2 поперек пути натягивалась леска, концы которой с помощью зажимов крепились к жестким поперечным связям продольных балок (рис. 5). На боковые грани головок рельсов были нанесены метки при температуре рельсов -22,5 °С._
Рис. 5. Расположение зажима на косынке в створе поперечной связи
Перемещение концов рельсовых плетей относительно выбранных створов фиксировалось с точностью до 0,1 мм штангенциркулем.
По полученным данным измерений построены графики изменения длины рельсовых плетей от температуры продольной балки фермы (рис. 6). Перемещение концов рельсовых плетей принято с «+», когда плеть удлинялась, с «-» - когда укорачивалась. Эти данные получены при следующем соотношении зон жесткого и свободного закрепления плетей и уравнительных рельсов. Зоны жесткого прижатия плетей к плитам БМП с помо-
щью скрепления КБ со стандартными клеммами и крутящим моментом 25 кг-м на клеммных и 15 кг-м на закладных болтах от неподвижных опорных частей составляли 31,2 м.
Зоны свободного закрепления плетей с подрезанными лапками клемм и металлическими прокладками под подошвой рельсов, измеренные от сечения с жестким закреплением до створов, составили: для плети № 1 - 75,85 м; для плети № 2 -64,93 м. Оставшиеся концы плетей от створов до уравнительных рельсов и сами уравнительные рельсы имели свободное закрепление.
Полученные в ходе эксплуатационных наблюдений графики показывают несовпадение продольных деформаций пролетных строений и рельсовых плетей. С повышением температуры накапливается несовпадение деформаций. Общая разница е деформациях е диапазоне измеренных температур от -30 °С до +30°С для плети № 1 составила 40 мм, для плети № 2 - 25 мм.
В момент смены сезонных рельсов происходит реализация накопившегося ранее несостоявшегося удлинения или укорочения рельсовой нити за счет сил сопротивления в стыках. При величине нормативного крутящего момента на стыковых болтах 60 кг-м величина сопротивления составляет около 40 тонн.
При двухразовой смене сезонных рельсов весной и осенью в интервале температур от -20 °С до +10 °С происходит двойная реализация несостоявшегося изменения длины свободных от закрепления рельсовых нитей. Данное явление показано в средней части рис. 6. Первая пара сезонных рельсов весной была сменена 3 марта, вторая -7 апреля в период наблюдения при температуре от -10 °С до +10 °С.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
tб(фад^ +50
Рис. 7. Изменение стыковых зазоров от температуры рельсов и продольных балок при длине сезонных рельсов: Ф 12,50 + 12,50; ® 12,45 + 12,45; • - правая нить; х - левая нить
Данное явление вполне объяснимо. Наличие сплошного подрельсового основания в виде железобетонных плит БМП, как уже отмечалось, приводит к тому, что продольные балки ферм в течение года находятся в тени, а рельсы - и в тени, и на солнце. При изменении температуры на 1 °С и наличии сопротивления продольному перемещению в рельсах возникают температурные силы величиной 2 т, в продольных балках по 8 т. В этих условиях на величину стыковых зазоров влияют температурные деформации продольных балок.
Подтверждением этому служит рис. 8.
24
Рис. 6. Изменение длины рельсовых плетей № 1 в зависимости от температуры продольной балки: • - правая нить; х - левая нить
Зависимость стыковых зазоров
от температуры
Измерения величины стыковых зазоров X велись с помощью штангенциркуля с точностью 0,1 мм.
При перепаде температуры и преодолении стыкового сопротивления изменение значений стыковых зазоров идет неравномерно. Как правило, более интенсивно меняются зазоры в одном-двух стыках, где наименьшее значение сил сопротивления. В связи с этим на рис. 7 приведены графики изменения среднего стыкового зазора Лср от
температуры рельсов и продольной балки фермы.
Сопоставление фактических стыковых зазоров с проектными (прямые 1 и 2 на рис. 7) показывает их несовпадение. Фактические зазоры чаще больше проектных. Если при длине сезонных рельсов 12,5 + 12,5 м при отрицательных температурах несовпадение в среднем составляет 1-2 мм, то при длине сезонных рельсов 12,45 + 12,45 м -4 мм, увеличиваясь с повышением температуры рельсов и достигая величины 7 мм при +30 °С.
А,ср, мм 20
О
" * *-"
51 л * * * л \ у V
% V * * \ 4 IV \ * 2 *
** л* **- £ * 1
-20 -10 0 +10 +20 Температура продольной балки фермы
+30 1б,град.
Рис. 8. Изменение стыковых зазоров от температуры рельсов: - по проекту, при длине рельсов: Ф 12,50 + 12,50; ® 12,45 + 12,45; • - измеренное по правой рельсовой нити; х - измеренное по левой рельсовой нити
Изменение среднего стыкового зазора от температуры продольной балки хорошо согласуется с проектными данными в зимнее время при отрицательных температурах. Несовпадение фактических и проектных зазоров при положительных температурах составляет 1-2 мм, постепенно увеличиваясь с повышением температуры, достигая 6 мм при *£ = +30°С. Фактическое изменение
среднего стыкового зазора от температуры продольной балки фермы описывается уравнением следующего вида:
Лср = 2,27 - 0,47^ , мм (2)
при-40 °С< 16<0°С и длине сезонных рельсов 12,50 +12,50 м.;
Лср =17,43-0,37^, мм (3)
при -5 °С<1б<+30°С и длине сезонных рельсов 12,45+12,45 м.
При данной конструкции пути с наличием зон жесткого и свободного закрепления рельсовых нитей к основанию на изменение стыкового зазора влияют температуры и, соответственно, деформации как рельсов, так и продольных балок. Поэтому при расчете ведомости для укладки и со-
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
держания стыковых зазоров в уравнительных рельсах необходимо учитывать данное обстоятельство.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Указания по устройству и конструкции мостового полотна на железнодорожных мостах / Главное управление пути МПС. М. : Транспорт, 1989. 120 с.
2. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути /
МПС России. М. : Транспорт, 2000. 96 с.
3. Марченко Л. Н. Проблемы устройства железнодорожного мостового полотна на реконструируемом мосту через р. Амур г. Хабаровска : сб. тезисов докладов / Л. Н. Марченко, Г. Н. Баранник, Г. М. Стоянович. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 1997. С. 107-108.
4. Марченко Л. Н. Мостовое полотно на новом амурском мосту / Л. Н. Марченко, Г. М. Стоя-нович : материалы науч.-техн. конф. (Хабаровск, 20-23 октября 1999 г). Т. 1. Хабаровск, 1999. С.108-110.
УДК 519.685 Курганская Ольга Викторовна,
инженер, Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН,
тел.: 500-646, e-mail: olgakurg@gmail.com
ДЕКЛАРАТИВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДАННЫХ ДЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
O.V. Kurganskaya
DECLARATIVE SPECIFICATIONS OF DATA PROCESSING FOR COMPUTER EXPERIMENT IN ENERGY SECURITY RESEARCHES
Аннотация. В статье предложены декларативные представления (формальные спецификации) процессов преобразования данных для решения задачи дедуктивного синтеза сценариев преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях энергетической безопасности. Рассмотрены структуры и алгоритмы построения декларативных представлений. Приведены способы применения декларативных представлений и их свойства.
Ключевые слова: вычислительный эксперимент, декларативное представление, преобразование данных, прототип математической модели, синтез сценариев.
Abstract. The article is devoted to formal (declarative) specifications of data transformation processes for computer experiment in energy security researches. Inference of declarative specifications enables to synthesize a program for data transformation. Declarative specifications structures, algorithms, ways to use and properties are developed.
Keywords: numerical experiment, data transformation, declarative specification, prototype of mathematical model, program synthesis.
Введение
Исследования энергетической безопасности - одно из направлений системных исследований энергетики, основной смысл которого заключается в обоснованном выборе направлений деятельности по достижению и поддержанию бездефицитного снабжения потребителей всеми необходимыми топливно-энергетическими ресурсами на долгосрочную перспективу [1]. Невозможность проведения натурных экспериментов на таком сложном объекте, как топливно-энергетической комплекс, определяет главенствующую роль методов математического моделирования и вычислительного эксперимента в исследованиях энергетической безопасности (ЭБ) [2]. При этом вычислительный эксперимент в исследованиях ЭБ имеет свои особенности. В частности, имеют место сложные вычислительные эксперименты, в ходе которых расчеты осуществляются последовательно с использованием нескольких математических моделей. Целью таких экспериментов могут быть исследования на разных уровнях (топливно-энергетического комплекса и отраслевых систем энергетики) с использованием соответствующих моделей или исследования, сочетающие качественные и
