Вплив поперечних та поздовжніх горизонтальних сил на роботу безпідкладкової та підкладкової конструкції рейкової колії

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ ТА ЗВ'ЯЗКУ УКРАЇНИ

Державний економіко-технологічний університет транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.22.06 - Залізнична колія

Вплив поперечних та поздовжніх горизонтальних сил на роботу безпідкладкової та підкладкової конструкції рейкової колії

Твердомед Володимир Миколайович

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Реконструкції та експлуатації залізниць і споруд» Державного економіко-технологічного університету транспорту Міністерства транспорту та зв`язку України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Даніленко Едуард Іванович, Державний економіко-технологічних університет транспорту Міністерства транспорту та зв`язку України, професор кафедри «Реконструкції та експлуатації залізниць і споруд», м. Київ.

Офіційні опоненти: - доктор фізико-математичних наук, професор Вербицький Володимир Григорович, Донецький інститут автомобільного транспорту, завідувач кафедри «Основи проектування машин», м. Донецьк. - кандидат технічних наук, доцент Уманов Марк Іонович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв`язку України, доцент кафедри «Колія та колійне господарство», м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “27” травня 2010р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.820.01 при Державному економіко-технологічному університету транспорту за адресою: 03049, м. Київ, вул. Лукашевича, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного економіко-технологічного університету транспорту за адресою: 03049, м. Київ, вул. Лукашевича, 19.

Автореферат розісланий “21” квітня 2010р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 26.820.01, к.т.н., доцент М.І. Карпов

1. Загальна характеристика роботи

Вступ. Українські залізниці являють собою потужну транспортну систему. За насиченістю залізницями території держави займають чільне місце серед країн СНД, далеко випереджаючи Росію, та наближаються за цими показниками до найбільш розвинених європейських держав.

Поряд з цим, українські залізниці мають специфічні умови експлуатації, які характеризуються значно більшими об'ємами перевізної роботи порівняно із західноєвропейськими залізницями, інтенсивністю руху поїздів і суттєво більшими масами поїздів та осьовими навантаженнями від рухомого складу. Створення і функціонування національної мережі міжнародних транспортних коридорів України та впровадження швидкісного руху ще більше ускладнює умови експлуатації вітчизняних залізниць. Все це свідчить про необхідність розвитку і впровадження на вітчизняних залізничних лініях технічного прогресу та модернізації колії, застосування більш прогресивних та надійних конструкцій верхньої будови колії, в тому числі підрейкової основи і рейкових скріплень та необхідність раціонально їх застосовувати залежно від експлуатаційних умов.

До 1996-97 р.р. на українських залізницях на головних коліях на залізобетонних шпалах застосовувалися тільки підкладочні рейкові скріплення типу КБ з жорсткою клемою і 2-витковими пружними шайбами. Безпідкладкові скріплення старих конструкцій типів ЖБ і ЖБР для залізобетонних шпал застосовувались дуже рідко і лише на коліях з малою інтенсивністю руху. Більш широке застосування зазнали безпідкладкові скріплення з появою пружних пруткових клем після 1996-97 р.р. Впровадження таких скріплень на Україні почалось із застосуванням польських пружних скріплень типу СБ-3. Після 2000 р. на вітчизняних залізницях почали широко застосовуватися безпідкладкові скріплення типів КПП-1, КПП-5 вітчизняного виробництва.

Впровадження сучасної вітчизняної безпідкладкової конструкції колії з пружними рейковими скріпленнями типу КПП на залізобетонних шпалах, які не поступаються прогресивним закордонним конструкціям, є об'єктивною необхідністю, обґрунтованою насамперед економічною недоцільністю застосування типових підкладкових конструкцій зі скріплень типу КБ на швидкісних ділянках та на ділянках з помірною вантажонапруженістю. Але, разом з тим впровадження безпідкладкової конструкції колії з вітчизняними пружними скріпленнями, яка є малометалоємною та малообслуговуваною, вимагає необхідного наукового обґрунтування стосовно ефективності її роботи при сучасних та перспективних умовах експлуатації на залізницях України.

Дисертація присвячена визначенню впливу горизонтальних поздовжніх та поперечних сил на роботу безпідкладкової та підкладкової конструкції рейкової колії з типовими жорсткими та сучасними пружними рейковими скріпленнями залежно від умов експлуатації.

Актуальність теми. Робота безпідкладкової конструкції колії з пружними скріпленнями на залізобетонних шпалах порівняно з підкладковою відрізняється тим, що змінюється просторова жорсткість рейкових ниток та опір поздовжнім та поперечним переміщенням колії. Розподілення сил взаємодії в системі «колесо-рейкова колія» на безпідкладковій конструкції колії відрізняється від сил взаємодії при підкладковій конструкції. Сили, що діють в горизонтальній площині, безпосередньо впливають на забезпечення поздовжньої та поперечної стійкості колії та забезпечення вимог безпеки руху поїздів.

Але, не зважаючи на достатньо широке застосування нових конструкцій безпідкладкових скріплень на українських залізницях, у вітчизняній практиці наукових рішень відсутні дослідження, які б довели комплексне науково-технічне обґрунтування доцільності впровадження на залізницях безпідкладкових конструкцій рейкової колії з пружними рейковими скріпленнями для вітчизняних умов експлуатації. Актуальність теми дисертації визначається необхідністю наукового обґрунтування раціональних сфер застосування безпідкладкових і підкладкових конструкцій рейкової колії на основі вивчення і порівняння параметрів їх пружності, поздовжньої і поперечної стійкості та економічної ефективності.

Зв'язок теми з науковими програмами, планами, темами. Автор дисертації брав участь у науково-дослідних роботах Державного економіко-технологічного університету транспорту, які виконувалися за завданням Укрзалізниці в напрямку модернізації залізничної колії. Всі ці роботи мали безпосередній зв'язок або були частково пов'язані з темою дисертації. За завданням Головного управління колійного господарства Укрзалізниці були виконані такі науково-дослідні роботи: «Дослідження поздовжньої стійкості колії на залізобетонних шпалах при різних типах скріплень» № 535/02-1084.02 ЦТех Київ, КУЕТТ, 2003 р., «Розробка та обґрунтування технічних параметрів та характеристик рейкових скріплень типу КПП для залізобетонних шпал» № 605/03-74/03-ЦТех Київ, КУЕТТ, 2005р., «Наукове обґрунтування та розробка раціональних типів і конструкцій верхньої будови колії для нових умов експлуатації і швидкісного руху поїздів на залізницях України» № 16-2001 Б- ЦТех Київ, КУЕТТ, 2004 р.

Тема дисертації відповідає загальній галузевій програмі модернізації колійного господарства Укрзалізниці і підвищення швидкостей руху поїздів на головних напрямках міжнародних транспортних коридорів.

Мета і завдання дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є вирішення наукової задачі впливу горизонтальних поздовжніх та поперечних сил на роботу підкладкової та безпідкладкової конструкції рейкової колії при сучасних умовах експлуатації залізниць України.

У відповідності із зазначеною метою в дисертації поставлені та вирішені наступні задачі:

1. Проведений комплексний техніко-економічний аналіз сучасних конструкцій рейкових скріплень та визначені найбільш раціональні конструкції, які відповідають сучасним вимогам.

2. На основі розробленої методики проведені стендові лабораторні випробування надійності роботи підкладкових та безпідкладкових конструкцій рейкових скріплень на циклічне навантаження, експериментально визначені їх технічні параметри.

3. Проведені теоретичні розрахунки з визначення горизонтальних поперечних сил взаємодії між колесами рухомого екіпажу та конструкцією колії на залізобетонних шпалах та побудовані графіки-паспорти.

4. Проведені розрахунки поперечної стійкості підкладкових та безпідкладкових конструкцій рейкової колії з врахуванням додаткової дії квазістатичної стискаючої поздовжньої сили в поїзді.

5. Проведені розрахунки горизонтальної поздовжньої стійкості підкладкової та безпідкладкової конструкції колії з врахуванням дії гальмівних та температурних сил.

6. Виконано науково-технічне обґрунтування раціональних сфер застосування безпідкладкових та підкладкових скріплень.

Об'єкт дослідження - підкладкові та безпідкладкові конструкції рейкової колії на залізобетонних шпалах із типовими та сучасними пружними рейковими скріпленнями.

Предмет досліджень - технічні параметри рейкових скріплень, горизонтальні поздовжні та поперечні сили, горизонтальна поздовжня та поперечна стійкість колії.

Методи досліджень. В роботі використано комплексний метод досліджень, який включає теоретичну та експериментальну частину. Для аналітичних розрахунків застосовувалась теорія розрахунків залізничної колії на міцність і стійкість, теорія тягових розрахунків рухомого складу, розрахунково-теоретичний метод визначення поперечних горизонтальних сил. Експериментальні методи включають експериментальні випробування на лабораторних стендах із визначення технічних характеристик скріплень та експериментальні випробування підкладкових і безпідкладкових конструкцій рейкової колії, що експлуатується.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше на Українських залізницях виконано теоретичні розрахунки та розроблена методика з визначення горизонтальних поперечних сил взаємодії між колесами рухомого екіпажу та конструкцією колії на залізобетонних шпалах з урахуванням поздовжніх стискаючих сил в поїзді, схем вписування та конструктивних особливостей автозчепних приладів. Розроблені графіки-паспорти для визначення поперечних горизонтальних сил для сучасних моделей рухомого складу та внесені уточнення в розрахунки цих сил для рухомого складу, що тривалий час експлуатується. Дана методика дозволяє на інженерному рівні визначати поперечні горизонтальні сили (направляючі, бокові, рамні), що діють на колію від рухомого складу.

2. Визначені сумарні горизонтальні сили з урахуванням квазістатичної стискаючої поздовжньої сили, діючої при гальмуванні поїзда та конструктивних особливостей зчіпних приладів.

3. Проведені стендові експериментальні дослідження стійкості й надійності сучасних вітчизняних конструкцій рейкових скріплень. Визначені показники технічних характеристик вітчизняних конструкцій рейкових скріплень та їх закордонних аналогів, які характеризують їх роботу в початковий період експлуатації та після випробувань на витривалість.

4. Визначені умови забезпечення поздовжньої та поперечної стійкості підкладкової та безпідкладкової колії з урахуванням впливу поперечних і поздовжніх горизонтальних сил.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблені на основі теоретичних розрахунків графіки-паспорти дозволяють на інженерному рівні визначати горизонтальні поперечні сили (направляючі, рамні та бокові).

2. Отримані результати експлуатаційного впливу рухомого складу на колію, дозволили рекомендувати сфери застосування підкладкових та безпідкладкових конструкцій рейкової колії з пружними вітчизняними рейковими скріпленнями.

3. Отримані величини горизонтальних поперечних сил і проведений аналіз поздовжньої стійкості колії були використані при підготовці даних у «Правила розрахунків залізничної колії на міцність і стійкість» ЦП-0117, затверджених наказом Укрзалізниці від 13.12.2004 р. №960-ЦЗ.

4. Отримані в дисертації результати були використані в науково-дослідних розробках кафедри «Реконструкція та експлуатація залізниць і споруд» Державного економіко-технологічного університету транспорту (ДЕТУТ) та відділення «Колія і колійні споруди» державного підприємства «Державний науково-дослідний Центр залізничного транспорту України" (ДНДЦ УЗ).

Особистий внесок здобувача. Постановку теми і задач досліджень виконано спільно з науковим керівником. Теоретичні розрахунки з визначення горизонтальних поперечних сил взаємодії між колесами рухомого екіпажу та рейкових ниток залізничної колії з побудовою графіків-паспортів вписування рухомого складу в криву, проведені особисто автором. Теоретичні розрахунки з визначенням поперечної та подовжньої горизонтальної стійкості підкладкової та безпідкладкової конструкції колії з пружними рейковими скріпленнями з урахуванням додаткової дії гальмівної сили, виконані під керівництвом наукового керівника. В експериментальних дослідженнях на лабораторних стендах і в експлуатаційній колії автор брав участь як співвиконавець, що і знайшло відображення у працях [42] і науково технічних звітах по НДР [24,30,31,88], приведених в тексті дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися на 1, 2, 3, 4-й Міжнародних науково-практичних конференціях з проблем та перспектив розвитку транспортних систем (Київ, грудень 2003р., листопад 2004р., листопад 2005р., лютий 2008р.).

Повністю дисертаційна робота доповідалась і обговорювалась на розширеному науково-технічному семінарі кафедр «Реконструкція та експлуатація залізниць і споруд» і «Теоретична та прикладна механіка» ДЕТУТ 15 лютого 2010 року.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 8-ми наукових друкованих працях, 3-х звітах з НДР кафедри «Реконструкція та експлуатація залізниць і споруд» ДЕТУТ і ДНДЦ УЗ. З 8-ми друкованих праць - 4 наукові статті, які видано у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України, 4 роботи є тезами наукових міжнародних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і 3-ох додатків. Повний обсяг складає 241 сторінок друкованого тексту, у тому числі: 82 рисунків на 64 сторінках, 41 таблиць на 42 сторінках, список літератури складає 104 найменувань на 9 сторінках та 3 додатки на 34 сторінках.

2. Основний зміст роботи

рейковий колія підкладковий залізниця

У вступі сформульовано актуальність теми дисертаційної роботи, її наукова новизна і практичне значення отриманих результатів для науки і виробництва. Позначені основна мета і задачі досліджень, предмет і методи досліджень, приведена структура дисертації і вказано зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами і планами.

У першому розділі надано різносторонній аналіз існуючих конструкцій рейкових скріплень. Наведені основні вимоги до конструкцій сучасних пружних скріплень. Розглянуті існуючі та перспективні умови експлуатації залізниць України.

На залізницях країн світу застосовується декілька десятків типів скріплень, а дослідні конструкції нараховуються сотнями. Вони можуть бути поділені за рядом ознак: за способом прикріплення рейки до основи (роздільні, нероздільні та змішані); за типом прикріплювачів (костильні, шурупні, болтові, змішаного типу, безболтові); за наявністю підрейкової металевої підкладки (підкладкові, безпідкладкові); за типом опор (на дерев'яних шпалах, на залізобетонних шпалах та на інших).

Із розглянутих конструкцій рейкових скріплень можна визначити основний напрямок розвитку конструкції: переважають розробки безпідкладкових скріплень з підрейковими прокладками та пружними клемами на залізобетонних шпалах; оскільки залізобетон добре працює на стиск, від металевих прокладок часто відмовляються, що дає велику економію. Але в складних умовах експлуатації (з великою вантажонапруженістю, осьовими навантаженнями та наявності кривих малих радіусів) для забезпечення стабільності колії необхідно використовувати металеві підкладки.

В сучасних умовах експлуатації для безстикової колії на залізобетонних шпалах на зарубіжних залізницях використовують декілька типів конструкцій безпідкладкових пружних рейкових скріплень типів: «Пендрол» (Великобританія), «Фоссло» (Німеччина), СБ-З (Польща), АРС-4 (Росія), ЖБР-65 (Росія), на вітчизняних залізницях застосовуються, як підкладкові скріплення типу КБ, так і безпідкладкові типів, КПП-1, КПП-5, КПП-7.

Але умови експлуатації українських залізниць відрізняються від західноєвропейських значно більшими об'ємами перевізної роботи, інтенсивністю руху поїздів і суттєво більшими масами поїздів та осьовими навантаженнями від рухомого складу.

Тому в даній дисертаційній роботі поставлена основна задача: науково обґрунтувати раціональні сфери застосування підкладкової і безпідкладкової конструкції рейкової колії з вітчизняними пружними скріпленнями типу КПП для сучасних умов експлуатації залізниць України.

Останнім часом проблемі скріплень було присвячено ряд праць, але в жодній роботі не була описана комплексна оцінка технічних вимог до вузла скріплення. Вперше для українських залізниць комплекс необхідних технічних вимог до сучасних рейкових скріплень на залізобетонних шпалах було сформульовано в роботах українських вчених проф. д.т.н. Е.І. Даніленка і кандидатів технічних наук О.М. Жученко та М.Д. Костюка на основі аналізу існуючих міжнародних вимог до скріплень і оцінки створених за останній час нових конструкцій вітчизняних і закордонних скріплень.

Питаннями вдосконалення конструкцій верхньої будови колії та рейкових скріплень в свій час займалися багато вітчизняних вчених: докт. техн. наук В.Г. Альбрехт, А.Ф. Золотарський, Г.М. Шахунянц, М.А. Фришман, В.І. Ангелейко, Г.Е. Андрєєв, М.Ф. Веріго, Ю.Д. Волошко, Н.І. Карпущенко, В.І. Новаковіч, Е.І. Даніленко; канд. техн. наук В.В. Серебряніков, Н.Д. Кравченко, Т.А. Лапідус, Л.Г. Крисанов, В.Ф. Афанасьєв, В.С. Лисюк, В.В. Говоруха, Г.І. Жилін, А.М. Жученко, В.П. Гнатенко, А.М. Орловський, А.П. Татуревич, М.І. Уманов та ін.

У другому розділі виконано експериментальні дослідження з визначення технічних параметрів сучасних вітчизняних конструкцій рейкових скріплень: пружних типу КПП та жорстких типу КБ. Технічні параметри досліджувались в початковий період роботи скріплень та після випробувань на витривалість. Наведені результати досліджень роботи в діючій колії підкладкової та безпідкладкової конструкції колії.

Жорсткість вузла скріплення, в основному, залежить від пружних властивостей колійних прокладок та клем. Деформативні властивості колійних прокладок визначаються геометричними розмірами (довжиною, шириною та товщиною), конструктивним оформленням прокладок та родом матеріалу, з якого вони виготовлені. Пружність пруткових клем залежить від якості сталі, технології виготовлення та геометричної конфігурації.

У сучасному вітчизняному скріпленні типу КПП-1 підрейкові прокладки виготовляються плоскої форми з поліетилену, скріпленнях КПП-5, КПП-7 - з термопластичного поліуретану типу ПРП-2, робоча поверхня якої має специфічну гофровану форму.

Для визначення жорсткості пружних елементів скріплень, характеристик поздовжньої і поперечної стійкості рейкових скріплень, були проведені експерименти на спеціальному стендовому лабораторному обладнанні. Для дослідження зміни технічних показників скріплень під циклічним навантаженням були проведені випробування на витривалість конструкцій скріплень типів: КБ, КПП-1, КПП-5, КПП-7, СА-21. Розроблена методика проведення експерименту базувалась на основі європейських стандартів з суттєвим корегуванням та прив'язкою до вітчизняних умов експлуатації. Схема циклічного навантаження вузлів скріплень, змонтованих на напівшпалках з рейками Р65, обрана по найбільш жорсткому варіанту, з кутом нахилу напівшпалка до горизонталі 32 та з вертикальним навантаженням рейки максимальним зусиллям 80 кН. Така схема завантаження створює одночасно перекидаючий момент і бокову силу, яка передається нижнім краєм підошви рейки на скріплення, зусиллям близько 40 кН. Величина прийнятого навантаження відповідала номінальному зусиллю притиснення рейки до шпали клемами в умовах експлуатації, що дорівнює в середньому 22,5 кН. Кількість циклів навантажень вузла скріплення прийнято рівним 2 млн., що відповідає роботі конструкції на довготривалу витривалість.

На графіках наведені результати досліджень жорсткості пружних елементів вузла рейкового скріплення при різних конструкціях. Як видно з графіка, отриманого за результатами експерименту, найкращі пружні властивості має гумова прокладка скріплення SKL (Фоссло), найгірші пружні властивості має плоска прокладка скріплення КПП-1. Гофрована прокладка типу ПРП-2 за своїми пружними властивостями наближається до гумової прокладки скріплення SKL (Фоссло).

З отриманих результатів видно, що по-перше, жорсткість клем КПП-5.1 та КПП-1 (СБ3) мало відрізняється, а по-друге, що обидві конструкції клем мають недостатню пружність у порівнянні з відомими закордонними пружинними скріпленнями Pandrol та Vossloh. Недоліки пружних властивостей цих клем пояснюються тим, що згідно їх конструкції, петлі клем працюють не на кручення, як в пружних клемах Pandrol і ОП-105, а на згин.

Щоб забезпечити довготривалу і надійну роботу скріплень при експлуатації в колії, необхідно щоб їхні технічні характеристики відповідали встановленим нормативам як на початку експлуатації, так і наприкінці нормативного строку експлуатації, тобто після накопичення багатоциклових колісних навантажень.

Із аналізу технічних характеристик рейкових скріплень, отриманих при експериментальних дослідженнях, видно, що скріплення КПП-5 мають найкращі характеристики у порівнянні зі скріпленнями КПП-1, СБ-3 і КБ та наближаються за цими показниками до передових закордонних скріплень типу Pandrol та Vossloh. Скріплення типу КПП-7 потребує вдосконалення своїх пружних характеристик щодо вертикальної жорсткості.

Для дослідження роботи підкладкової та безпідкладкової конструкції рейкової колії на залізобетонних шпалах при коротких та довгих безстикових плітях були проведені експериментальні дослідження в діючій колії. За час проведення експерименту були задіяні ділянки колії довжиною від 300 до 1200 м, з рейковими скріпленнями: КПП-5, КПП-7, КПП-1 (СБ-3), КБ. Для врахування поздовжнього профілю і режимів руху поїздів експериментальні ділянки обиралась на звичайних та гальмівних ділянках, на ділянках зі спуском, підйомом та на горизонтальних площадках.

За результатами експерименту та аналізу даних виявлено, що в підкладковій конструкції колії з типовим скріплення КБ мали місце більші поздовжні переміщення рейкових плітей порівняно з безпідкладковою конструкцією колії з пружними скріпленнями КПП-5.

У третьому розділі виконано теоретичні розрахунки та розроблена методика визначення горизонтальних поперечних сил взаємодії між колесами рухомого екіпажу та конструкції колії на залізобетонних шпалах з урахуванням поздовжніх стискаючих сил в поїзді, схем вписування та конструктивних особливостей автозчепних приладів.

При розрахунках поперечних горизонтальних сил за основу був прийнятий аналітичний метод, розроблений д.т.н., проф. О.П. Єршковим. В цій методиці при побудові графіків-паспортів коефіцієнт тертя ковзання між колесом і рейкою приймався постійний . Розроблена в дисертації методика відрізняється від означеного метода проф. О.П. Єршкова в тому, що при розрахунках поперечних горизонтальних сил для нових та старих екіпажів, значення коефіцієнта тертя приймалось і визначалось залежно від відносного проковзування коліс по рейці , яке розрізняється при різних умовах вписування (). Де - радіус кривої; - кут набігання колеса на рейку, який визначається відношенням ; - відстань від направляючої першої осі до центра повороту візка.

Розрахунки були виконані для нових моделей екіпажів та для тих, що тривалий час експлуатується, а саме: вантажний вагон на візках моделі ЦНІІ-Х3; пасажирський вагон на візках моделі КВЗ-ЦНІІ та моделі 68-7012; локомотивів ВЛ80, ЧС2, ЧС4, ЧС8, ДС3.

При відсутності зчленування візків система рівнянь (1) має два невідомих чи . Для екіпажів зі зчленованими візками порядок розрахунку повинен забезпечувати при даній установці екіпажа швидке знаходження величини внутрішньої сили К в зчленуванні або переміщення кінців рами в зчленуванні zc. Для цього складається система необхідних функцій:

Наведено приклад побудови графік-паспорта для локомотива ВЛ80. Із аналізу побудованого графік-паспорту видно, що для екіпажів, які не мають зчленованих візків, графіки залежності поперечних сил від непогашених поперечних прискорень являють собою пряму лінію чи слабо вигнуту криву опуклістю у верх, в сторону збільшення поперечних сил. Проведені розрахунки підтверджують справедливість залежностей

Проведені розрахунки дозволили розширити і уточнити основні положення методу вписування рухомого складу в криві та визначити при цьому поперечні сили взаємодії для сучасних типів екіпажів. На основі побудованих графіків-паспортів та формули (5) виведені наближені формули визначення поперечних сил для візків, які не мають зчленування

У четвертому розділі виконано теоретичні розрахунки поперечної стійкості залізничної колії підкладкової конструкції з типовим рейковим скріпленням КБ та безпідкладкової конструкції з сучасними пружними рейковими скріпленнями типу КПП.

Умова забезпечення стійкості рейко-шпальної решітки згідно затверджених на українських залізницях «Правил розрахунків залізничної колії на міцніть і стійкість» буде виконуватись при виконанні нерівності

Умова недопущення залишкових зсувів рейкової нитки під впливом горизонтальних поперечних сил, тобто умова забезпечення поперечної стійкості рейкової колії буде виконуватись при виконанні нерівності

Виражаючи через бокову силу у відповідності з методикою ВНДІІЗТу, з рівняння (7) можна вивести більш зручне для практичного користування співвідношення, висловлюючи умови недопущення залишкових зсувів рейкової нитки

У рівняннях (6-8) прийняті наступні позначення: - максимальна рамна сила; - граничний опір рейко-шпальної решітки поперечному зсуву; - коефіцієнт, що передбачає можливі зниження опору поперечному зсуву зміщенню рейко-шпальної решітки безпосередньо після ремонту колії; Qв - середнє значення вертикального динамічного навантаження, що передається від рейки на шпалу; - найбільше горизонтальне бокове навантаження, що передається від підошви рейки через шпалу; - коефіцієнт відносної жорсткості основи і рейки; - відстань між осями шпал; - 1,4 для колії на щебеневому баласті при швидкостях руху ( км/год.), 1,1 при км/год.

У дисертаційній роботі запропоновано при розрахунках поперечної стійкості враховувати дію додаткової поперечної сили від стискаючої сили в поїзді при його гальмуванні. Додаткові поперечні горизонтальні сили виникають при русі поїзда за рахунок розтягувань та стискань на прямих та кривих ділянках. Причини виникнення цих сил пов'язані з особливостями конструктивного облаштування зчіпних приладів, а саме з наявністю ексцентриситету закріплення хвостовика автозчеплення в горизонтальній та вертикальній площині.

При квазістатичному стисканні поїзда його ланки підчас руху намагаються перекоситися. Утримують їх в основному положенні поперечні зв'язки, роль яких відіграють візки з ресорами та колісними парами. Із збільшенням квазістатичного стискання поїзда перекоси збільшуються, викликаючи збільшення поперечної горизонтальної та вертикальної групової дії коліс візка на колію. При цьому колеса суміжних візків діють по-різному на різні рейкові нитки, намагаючись розтиснути колію чи змістити її суміжними візками в різні сторони.

Найбільш критичні умови при розрахунках поперечної стійкості залізничної колії будуть виникати при різкому гальмуванні в кривій ділянці колії, коли з'являється додаткова групова бокова дія коліс екіпажу на колію при стискаючій квазістатичній силі. Ця додаткова сила буде діяти за межами локомотива у поїзді.

Умова поперечної стійкості рейко-шпальної решітки проти бокового зсуву в горизонтальній площині з урахуванням сили за межами локомотиву в поїзді буде визначатися формулою

Поперечну стійкість рейко-шпальної решітки можна оцінити коефіцієнтом стійкості формулою

Умову забезпечення поперечної стійкості рейкових ниток із урахуванням сили , можна виразити формулою

Поперечну стійкість рейкових ниток можна оцінювати коефіцієнтом стійкості формулою

В результаті розрахунків, виконаних в даному розділі, отримано, що поперечна стійкість підкладкової та безпідкладкової конструкції колії забезпечується в кривих ділянках радіусів 300 м, 600 м, 1000 м. Додаткова дія поперечної горизонтальної сили, яка виникає при різкому гальмуванні поїзда, зменшую поперечну стійкість колії в цілому на 30%. При цьому, при різкому гальмуванні вантажного поїзда поперечна стійкість рейко-шпальної решітки буде забезпечена: при підкладковій конструкції колії з типовим скріпленням КБ на 128%; при безпідкладковій конструкції колії з сучасним пружним скріпленням КПП-5 на 120%. Поперечна стійкість рейкової колії з урахуванням дії поперечної сили, виникаючої від гальмування поїзда, буде забезпечена: при підкладковій конструкції колії з типовим скріпленням КБ на 120%; при безпідкладковій конструкції колії з сучасним пружним скріпленням КПП-5 на 108%.

У п'ятому розділі виконано розрахунки з визначенню горизонтальних поздовжніх сил при підкладковій та безпідкладковій конструкції колії. На основі розрахунків сил виконана оцінка поздовжньої стійкості колі.

Згідно «Правил розрахунків залізничної колії на міцніть і стійкість», поперечна стійкість колії буде забезпечена, якщо не відбуватиметься спільне поздовжнє переміщення рейок з опорами та поздовжнє проковзування підошви рейки по опорах

Для визначення сил угону від дії вертикальних колісних навантажень і пружного вигину рейок була прийнята розрахункова схема, запропонована проф. В.Г. Альбрехтом, при якій явище угону просліджується при розгляданні пружного вигину балки, що лежить на суцільній основі пружної у вертикальній і недеформуємої в горизонтальній площині. При цьому угон створюється від пружного вигину рейки й поступового накочування колеса на рейку, яка лежить попереду. В результаті пружного повороту перерізів рейки виникають поздовжні переміщення точок на підошві рейки. Розподілену поздовжню силу від вигину рейки на одиницю її довжини (кН/м) визначають за формулою

Розподілена поздовжня гальмівна сила, яка передається від коліс рухомого складу на рейку, знаходиться за методикою тягових розрахунків формулою

Розподілена температурна сила на ділянці колії, що деформується для однієї рейкової нитки безстикової пліті згідно «Правил розрахунків залізничної колії на стійкість», знаходиться формулою

- загальна поздовжня температурна сила, яка виникає в одній рейковій нитці безстикової пліті; Х - довжина кінцевих ділянок, на яких відбуваються поздовжні деформації рейкової пліті при зміні температури на певне число градусів .

В результаті розрахунків, виконаних у даному розділі, отримано, що рейкові скріплення типу КПП-1 не в достатній мірі забезпечують поздовжню стійкість колії в тому випадку, коли поряд із пружними та температурними силами діють гальмівні сили від екстреного та рекуперативного гальмування великовагових вантажних поїздів. Значний вплив на величину розподіленої гальмівної сили при рекуперативному гальмуванні має поздовжній ухил колії. При гальмуванні вантажного поїзда масою 4500 т на ухилі 12 ‰ поздовжня стійкість рейкових ниток може буде втрачена при кожній з розглянутих конструкції рейкових скріплень. Тому для уникнення втрати поздовжньої стійкості колії на ділянках з крутими ухилами необхідно забороняти рекуперативне гальмування вантажних великовагових поїздів при русі на спуск з ухилом понад 8 ‰.

У шостому розділі виконано розрахунки з визначення техніко-економічної ефективності використання безпідкладкової конструкції колії з вітчизняними пружними рейковими скріпленнями типу КПП.

Сумарний економічний ефект від сумісного впровадження безпідкладкової конструкції рейкової колії на залізобетонних шпалах з пружним скріпленням КПП-5 замість підкладкової конструкції рейкової колії на залізобетонних шпалах зі скріпленням КБ складає на кожний 1 км колії приблизно 24% від вартості повного оновлення (тобто модернізації) 1 км колії.

Економічна ефективність використання нових технологій при впровадженні нових конструкцій верхньої будови колії полягає в наступному: застосування безпідкладкової конструкції рейкової колії з пружними скріпленнями КПП-5, у порівнянні з підкладковою конструкцією колії з типовим скріпленням КБ, зменшує витрати металу та витрати на збирання рейко-шпальної решітки приблизно на 47% (витрати праці РШР зі скріпленнями КБ становить 565 люд.-год., а РШР з КПП-5 - 265 люд.-год., що веде за собою збільшення річних об'ємів робіт КМС).

Крім того при застосуванні безпідкладкової конструкції рейкової колії з пружними скріпленнями КПП-5 не потрібно проводити періодичні колійні роботи по докручуванню та змащуванню різьбо-гайкових з'єднань, як цього потребує підкладкова конструкція рейкової колії із скріпленням КБ. Це суттєво зменшує витрати на поточне утримання колії та дозволяє значно скоротити парк колійних машин КМГ колійного господарства України та річні витрати на утримання цих машин.

Висновки

1. В дисертації представлено нове вирішення наукової проблеми впливу горизонтальних поздовжніх та поперечних сил на роботу підкладкової та безпідкладкової конструкції рейкової колії для сучасних умов експлуатації залізниць України. Вирішення даної проблеми виконано за допомогою комплексних теоретичних, експериментальних та експлуатаційних досліджень. Доведено, що стійкість в горизонтальній поздовжній та поперечній площині безпідкладкової конструкції колії з пружними вітчизняними рейковими скріпленнями забезпечується при довготривалій експлуатації.

2. За допомогою експериментальних досліджень визначені показники технічних характеристик сучасних вітчизняних конструкцій рейкових скріплень та закордонних їх аналогів, які характеризують їх роботу в початковий період їх експлуатації та після випробувань на витривалість. Порівняння цих показників показало, що:

2.1. Вертикальна жорсткість для скріплень на жорстких полімерних підрейкових прокладках (КПП-1, СБ-3) після проведення випробувань (N=2·106 циклів) суттєво збільшилась (в 1,3-1,7 рази), що перевищує рекомендований міжнародний технічний норматив. Це свідчить про доцільність застосування поліуретанових чи гумових підрейкових прокладок, які в процесі експлуатації не мають тенденцію остаточного зминання та майже не втрачають свої пружні властивості. Скріплення КПП-1 з плоскою поліетиленовою підрейковою прокладкою мають занадто велику вертикальну жорсткість 276 кН/мм, яка після циклічних випробувань збільшилася до 395 кН/мм.

2.2. Скріплення типу КБ не є пружними (незважаючи на пружні шайби), ці скріплення не відповідають сучасним вимогам. У скріпленні типу КБ найбільш недосконалим є вузол закладного болта і його ізолюючого вкладиша, які руйнувалися при циклічних випробуваннях, не витримуючи стандартної прийнятої межі тривалої витривалості N=2·106 циклів.

3. Вперше на Українських залізницях виконано теоретичні розрахунки та розроблена методика з визначення горизонтальних поперечних сил взаємодії між колесами рухомого екіпажу та конструкцією колії на залізобетонних шпалах з урахуванням поздовжніх стискаючих сил в поїзді, схем вписування та конструктивних особливостей автозчепних приладів. При розрахунках встановлено, що:

3.1. На величину виникаючих поперечних сил впливають такі найважливіші параметри, як: конструктивні характеристики ходових частин рухомого екіпажу (довжина жорсткої бази візка, наявність зчленованих візків, навантаження на вісь, величини демпфіруючих моментів, жорсткість зв'язку кузова та візка); конструктивні характеристики колії (конструкція ВБК, радіус кривої, підвищення зовнішньої рейки); експлуатаційні характеристики (, ); коефіцієнт тертя .

3.2. Поперечні горизонтальні сили мають обернену залежність від радіуса кривої:

- найбільші поперечні направляючі сили виникали в кривій ділянці колії радіусом 300 м від локомотива ВЛ80 (, при збільшенні радіуса до 1000 м сила зменшується на 14 % (=90 кН);

- найменші поперечні сили взаємодії виникали від дії пасажирського вагону на візках моделі 68-7012 (при 300 м , при 1000 м сила зменшується на 30 % і складає ).

4. В результаті досліджень розроблені графіки-паспорти для визначення поперечних горизонтальних сил для сучасних моделей рухомого складу та внесені уточнення в розрахунки цих сил для рухомого складу, що тривалий час експлуатується. Використання методики розробленої в дисертації дозволяє на інженерному рівні визначати поперечні горизонтальні сили (направляючі, бокові, рамні), що діють на колію від рухомого складу.

5. Результати порівняльних розрахунків поперечної стійкості безпідкладкової та підкладкової конструкції колії з врахуванням додаткових поперечних горизонтальних сил, виникаючих при гальмуванні поїзда, показали, що:

- найкращі показники поперечної стійкості рейко-шпальної решітки має підкладкова конструкція колії із залізобетонними шпалами та типовим скріпленням КБ. Безпідкладкова конструкція колії із пружним рейковим скріпленням КПП-5 має на 8 % меншу поперечну стійкість рейко-шпальної решітки; але при найгіршій силовій взаємодії колії та рухомого екіпажу, що має місце при русі поїзда в кривій ділянці R=300 м, поперечна стійкість для скріплення КПП-5 забезпечується на 120 %;

- поперечна стійкість рейкових ниток підкладкової конструкції з типовим скріпленням КБ на 12 % більша порівняно з безпідкладковою конструкцією рейкової колії з пружним рейковим скріпленням КПП-5; але, при цьому, для скріплення КПП-5 поперечна стійкість забезпечується на 108% в найгірших умовах при R=300 м.

6. Проведені порівняльні розрахунки поздовжньої стійкості підкладкової та безпідкладкової конструкції колії показали, що:

- поздовжня стійкість рейкової колії при безпідкладковій конструкції з пружним скріпленням КПП-5 має більшу 5% забезпеченість порівняно з підкладковою конструкцією колії та типовим скріпленням КБ;

- поздовжня стійкість рейкової колії може бути втрачена при підкладковій конструкції колії з типовим рейковим скріплення КБ при недостатній щільності затискання клемних болтів та при безпідкладковій конструкції колії з рейковим скріпленням КПП-1. Скріплення КПП-5 забезпечують достатній опір поздовжнім переміщенням з забезпеченням поздовжньої стійкості не менше ніж на 117-140 %;

- найгірші несприятливі умови для забезпечення поздовжньої стійкості рейкових ниток створюються в екстремальних умовах на ділянках гальмування поїздів при сумісній дії сили від вигину рейок під вертикальним навантаженням, температурних сил та сили від рекуперативного гальмування.

7. На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень стійкості і надійності роботи підкладкових та безпідкладкових конструкцій рейкової колії із сучасними вітчизняними пружними скріпленнями, запропоновані наступні рекомендації щодо їх сфер застосування:

- враховуючи наявність підкладки та гарні показники поперечної стійкості колії в кривих ділянках, підкладкову конструкцію рейкової колії з типовими жорсткими скріпленнями типу КБ слід застосовувати на ділянках з вантажонапруженістю від Г=40 млн. т км/км на рік до Г=80 млн. т км/км на рік та в крутих кривих;

- безпідкладкову конструкцію рейкової колії з вітчизняним пружним скріплення типу КПП-5 слід застосовувати на ділянках в межах вантажонапруженості від Г=20-45 млн. т км/км на рік, в тому числі на лініях з прискореним рухом пасажирських поїздів V=121-140 км/год.;

- надійну роботу безпідкладкової конструкції колії із скріпленням типу КПП-1 можна рекомендувати на ділянках з обмеженим діапазоном експлуатаційних умов: вантажонапруженістю не більше Г= 25 млн т км/км на рік, маса вантажних поїздів не більше 2000 т.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Твердомед В.М. Проміжні рейкові скріплення / В.М. Твердомед // Збірник наукових праць Київського університету економіки і технологій транспорту. - Вип. 1-2. -Київ: КУЕТТ. - 2003. - С. 36-41.

2. Даніленко Е.І. Дослідження проміжних рейкових скріплень для залізобетонних шпал на витривалість при впливі циклічного навантаження / Е.І. Даніленко, В.М. Твердомед, О.М. Жученко // Збірник наукових праць Київського університету економіки і технологій транспорту. - Вип. 7. -Київ: КУЕТТ. - 2005. - С. 28-37.

3. Даніленко Е.І. Теоретичні дослідження поздовжньої стійкості рейкових ниток при сучасних рейкових скріпленнях на залізобетонних шпалах / Е.І. Даніленко, В.М. Твердомед, М.Д. Костюк // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту. - Вип. 12. - Київ: ДЕТУТ. - 2007. - С. 39-47.

4. Твердомед В.М. Стабільність ширини рейкової колії при різних конструкціях проміжних рейкових скріплень / В.М. Твердомед // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту. - Вип. 15. - Київ: ДЕТУТ. - 2009. - С. 105-108.

Додаткові праці:

5. Твердомед В.М. Вимоги, що висуваються до конструкції проміжного рейкового скріплення і вибір раціональної конструкції скріплення / В.М. Твердомед // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління : тези 1-ої междунар. наук-прак. конф., 4-6 груд. 2003 р. - Київ: КУЕТТ, 2003. - С. 72-73.

6. Даніленко Е.І. Дослідження поздовжньої стійкості рейко-шпальної решітки при різних конструкціях проміжного рейкового скріплення / Е.І. Даніленко, М.Д. Костюк, В.М. Твердомед // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління : тези 2-ої междунар. наук-прак. конф., 29 лист. - 01 груд. 2004 р. - Київ: КУЕТТ, 2004. - С. 105-106.

7. Твердомед В.М. Випробування проміжних рейкових скріплень для залізобетонних шпал на витривалість при впливі циклічного навантаження / В.М. Твердомед, О.М. Жученко // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління : тези 2-ої междунар. наук-прак. конф., 29 лист. - 01 груд. 2004 р. - Київ: КУЕТТ, 2004. - С. 121-122.

8. Твердомед В.М. Дослідження жорсткості проміжних рейкових скріплень / В.М. Твердомед // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління : тези 3-ої междунар. наук-прак. конф., 24-25 лист. 2005 р. - Київ: КУЕТТ, 2005. - С. 73-74.

9. Даніленко Е.І. Забезпечення поперечної стійкості колії проти розпирання при сучасних конструкціях проміжних рейкових скріплень / Е.І. Даніленко, В.М. Твердомед Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління : тези 4-ої междунар. наук-прак. конф., 26-27 лют. 2008 р. - Київ: ДЕТУТ, 2008. - С.40-41.

Анотація

Твердомед В.М. Вплив поперечних та поздовжніх горизонтальних сил на роботу безпідкладкової та підкладкової конструкції рейкової колії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.06. - Залізнична колія, Державний економіко-технологічний університет транспорту, Київ, 2010.

Дисертація присвячена теоретичним та експериментальним дослідженням з питань роботи підкладкової та безпідкладкової конструкції рейкової колії під дією горизонтальних поздовжніх та поперечних сил при сучасних умовах експлуатації залізниць України.

У роботі за допомогою комплексних теоретичних, експериментальних та експлуатаційних досліджень представлене нове вирішення наукової проблеми впливу горизонтальних поздовжніх та поперечних сил на роботу підкладкової та безпідкладкової конструкції рейкової колії. Доведено, що стійкість рейко-шпальної решітки і рейкових ниток та експлуатаційна надійність при безпідкладковій конструкції рейкової колії залишається забезпеченою при довготривалій експлуатації.

Виконано теоретичні розрахунки і розроблена методика з визначення горизонтальних поперечних сил взаємодії між колесами рухомого екіпажу та конструкцією колії на залізобетонних шпалах з урахуванням дії поздовжніх стискаючих сил в поїзді, схем вписування та конструктивних особливостей автозчепних приладів. На основі розрахунків розроблені графіки-паспорти для рухомого складу який тривалий час експлуатується та для сучасних моделей.

Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволили рекомендувати раціональні сфери застосування підкладкової та безпідкладкової конструкції залізничної колії.

Ключові слова: верхня будова колії, підкладкова та безпідкладкова конструкції колії, скріплення, візок, поперечні сили, графік-паспорти, угон колії, квазістатична сила, гальмівні сили, стійкість, жорсткість, пружність, економічна ефективність.

Аннотация

Твердомед В.Н. Влияние поперечных и продольных горизонтальных сил на работу бесподкладочной и подкладочной конструкции железнодорожного пути. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.06 - Железнодорожный путь; Государственный экономико-технологический университет транспорта; Киев, 2010.

Диссертация посвящена решению научной задачи исследования влияния горизонтальных продольных и поперечных сил на работу подкладочной и бесподкладочной конструкции железнодорожного пути при современных условиях эксплуатации железных дорог Украины. Решение данной задачи проводилось путем комплексных теоретических, экспериментальных и эксплуатационных исследований.

В роботе: выполнены исследования влияния горизонтальных продольных и поперечных сил на работу подкладочной и бесподкладочной конструкции железнодорожного пути с помощью комплексных теоретических, экспериментальных и эксплуатационных исследований; проведен анализ современных конструкций рельсовых скреплений, указаны основные направления развития этих конструкций и рациональные сферы их применения; выполнены комплексные технико-экспериментальные исследования технических параметров отечественных рельсовых скреплений и зарубежных их аналогов, в первоначальной стадии их роботы и после испытаний на выносливость; выполнены теоретические и экспериментальные исследования роботы подкладочной и бесподкладочной конструкции железнодорожного пути с учётом продольных сил сжатия в поезде, схем вписывания и конструктивных особенностей автосцепных устройств; разработаны графики-паспорта для определения продольных горизонтальных сил для современных моделей подвижного состава и внесены уточнения в расчеты этих сил для подвижного состава который длительное время эксплуатируется; проведены сравнительные расчеты продольной и поперечной горизонтальной устойчивости подкладочной и бесподкладочной конструкции пути с учетом дополнительных горизонтальных сил возникающих при торможении поезда; доказано, что поперечная и продольная устойчивость подкладочной и бесподкладочной конструкции во всех случаях обеспечена.

Выполнены теоретические и эксплуатационные исследования позволили рекомендовать рациональные сферы применения подкладочной и бесподкладочной конструкции железнодорожного пути.

Также, полученные в диссертации результаты были использованы в научно-исследовательских разработках Отделения пути и путевых сооружений Государственного научно-исследовательского центра Укрзализныци и кафедры «Реконструкция и эксплуатации железных дорог и сооружений» Государственного экономико-технологического университета транспорта.

Ключевые слова: верхнее строение пути, подкладочная и бесподкладочная конструкция пути, скрепление, тележка, поперечные силы, график-паспорт, угон пути, квазистатическая сила, тормозные силы, устойчивость, жесткость, упругость, экономическая эффективность.

Summary

Tverdomed V.M. Impact of cross-section and longitudinal horizontal forces on work non-lining and a lining design of a rail track. - the Manuscript.

The dissertation on getting of PhD scientific degree by a specialty 05.22.06 - the Track; the State Economic-Technological Transport University; Kyiv, 2010.

The dissertation is devoted theoretical and experimental researches concerning work lining and non-lining to a design of a rail track under the influence of horizontal longitudinal and cross-section forces at modern service conditions of railways of Ukraine.

In work by means of complex theoretical, experimental and operational researches the new decision of a scientific problem of influence of horizontal longitudinal and cross-section forces for work lining and non-lining is presented a design of a rail track. It is proved that firmness rail-sleeper a lattice and rail threads and operational reliability at non-lining remains to a design of a rail track provided at long-term operation.

It is executed theoretical calculations and developed technique from definition of horizontal cross-section forces of interaction between wheels of mobile crew and a track design on ferro-concrete cross ties taking into account action of longitudinal compressing forces in a train, schemes of a description and design features of autocoupling devices. On the basis of calculations the developed passports of the schedule for a rolling stock which long time is maintained and for modern models.

Executed theoretical and experimental researches have allowed recommending rational scopes lining and non-lining to a design of a railway.

Keywords: the top structure of a track, lining and non-lining designs of a track, linkage, the cart, cross-section forces, schedule passports, track stealing, quasistatic force, brake forces, firmness, rigidity, elasticity, economic efficiency.

Размещено на Allbest.ru

...