Рациональное соотношение механических свойств элементов верхнего строения пути с железобетонными шпалами

Размещено на http://www.allbest.ru

РАЦИОНАЛЬНОЕ СООТНОШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ ШПАЛАМИ

Университет «Туран», г. Алматы

Разнородность материала элементов конструкции пути приводит в первую очередь к возникновению различных по величине упругих и остаточных деформаций в соответствующих его зонах. По-разному происходит и рассеивание механической энергии при деформировании отдельных элементов под нагрузкой, т.к. способности воспринимать и перерабатывать механические воздействия, например, у металла, железобетона, дерева и грунта различны.

Неодинаковые упругие свойства материалов конструкции пути вызывают по [1] несинхронность работы элементов пути, находящихся от контактной зоны (системы «колесо-рельс») на различном расстоянии. Эта несинхронность и вызываемые им ненормальности работы всей конструкции пути проявляются тем сильнее, чем выше скорость движения, силовое воздействие и грузонапряженность.

Переход от деревянных шпал к железобетонным шпалам хотя и вызвал повышение жесткости подрельсового основания, что является неблагоприятным обстоятельством, привел к дальнейшему повышению мощности конструкции пути, особенно в части увеличения устойчивости против выброса бесстыкового пути. Реализуемые меры усиления и совершенствования конструкции пути не удовлетворяют тем требованиям, которые постоянно выдвигаются вновь и становятся более жесткими в связи с ростом перевозочной работы. Поэтому необходимо совершенствование и усиление конструкции пути. В связи с повышением скоростей движения, а также и нагрузок наиболее важным при совершенствовании является выбор параметров, определяющих наилучшее сочетание механических свойств отдельных элементов конструкции пути. Так как конструкции пути работает при действии динамических нагрузок, причем скорость приложения этих нагрузок достаточно велика, то основными параметрами элементов пути являются жесткость, массы и демпфирующая способность. Установление рациональных величин этих параметров и особенно рационального их сочетания чрезвычайно сложно и требует всесторонних теоретических и опытных исследований. Сейчас на основе обобщения опыта работы различных конструкции пути и, в порядке первой попытки можно сформулировать ряд требований к отдельным параметрам.

Важнейшим является требование о достаточно равномерном изменении жесткости всей конструкции пути по вертикали, т.е. жесткость последующего элемента не должна резко отличаться от жесткости предыдущего. Необходимым требованием следует также считать распределение динамических воздействий подвижного состава на возможно большее количество однородных составляющих каждого элемента конструкции пути как вдоль, так и поперек пути. Предпочтительным для выполнения этого требования является использование элементов, не имеющих достаточно сильных механических связей между однородными их составляющими вдоль и поперек пути. Например, конструкции пути со шпалами (раздельные опоры) с щебнем являются более предпочтительной, чем плитное или рамно-лежневое основание, выполненное при существующих требованиях по точности их геометрических размеров. В зависимости формы и физических свойств материала различные элементы конструкции пути рассредоточивают или концентрируют передаваемую на них нагрузку, при этом сосредоточенные нагрузки от колес подвижного состава передаются на путь и рассредоточиваются составными его элементами: рельс рассредоточивает нагрузку от колеса; промежуточным скреплениям эта нагрузка затем претерпевает некоторую концентрацию (сосредоточенное опирание подошвы рельса на подкладки), а в связи с работой шпал и балластного слоя снова рассредоточивается. Рельс рассредоточивает нагрузку от колеса на подрельсовое основание. Например, для пути с рельсами, щебеночным балластом при 1840 шпалах на 1 км давление колеса на путь снижается в загруженном сечении примерно в 3 раза (Q = 0,314Р). Дальнейшее снижение нагрузки происходит в связи с включением в работу шпалы. Если рассматривать рассредоточение нагрузки поперек пути, то, сопоставив площади подкладки и полушпалы, получается, что нагрузка на балласт в подрельсовом сечении с учетом концентрации давления от изгиба шпалы при прочих равных условиях снижается примерно в 5-6 раз, а особенности распределения нагрузки от подвижного состава в балласте приведены в [2]. В частности, в [2] изложены данные об изменении напряжений на разных уровнях от поверхности балластной призмы. Напряжения в балласте под шпалой снижаются на глубине 40 см от нижней ее постели примерно на 45 %. Снижение ее, а следовательно, и величина всей сосредоточенной нагрузки в значительной степени зависит от рода балластного материала и толщины щебеночного слоя и песчаной подушки. Средний градиент убывания напряжений по глубине составляет при песчаном балласте 0,0246 кг/см³, а при однослойной призме из щебня - 0,0274 кг/см³ [2]. Следовательно, в балластной призме из щебня рассредоточение давлений происходит с большей интенсивностью, чем в балластной призме из песка. путь жесткость железобетонный шпала

Характер распределения давлений и степень их снижения находятся во взаимосвязи с жесткостью элемента пути. Более мощный рельс, имеющий увеличенную изгибную жесткость, распределяет давление от колеса на большее количество шпал. Жесткость подрельсового основания с железобетонными шпалами существенно больше, чем с деревянными шпалами. Но давление рельса на с железобетонную шпалу на 15-20 % выше при прочих равных условиях, чем на деревянную шпалу [2]. Это указывает на пониженную степень рассредоточения нагрузки подрельсового основания с железобетонными шпалами, что подтверждается увеличенным значением коэффициента k (рисунок И.5), определяющим длину зоны влияния сосредоточенной нагрузки на подрельсовое основание.

а - в зависимости от веса 1 пог. м рельса при деревянных шпалах: 1, 2 - новых рельсах и балласте из щебня, песка или гравия соответственно; 3, 4 - то же при рельсах с износом 6 мм; 6 - в зависимости от количества деревянных шпал на 1 км пути: 1, 2, 3 - при балласте из щебня и новых рельсах Р43, Р50, Р65 соответственно; 4, 5 - при балласте из гравия или песка и новых рельсах Р50 и Р65 соответственно; 6 - при рельсах Р65 с износом 6 мм и балласте из щебня.

Изменение коэффициента относительной жесткости пути k

Собственно, железобетонная шпала значительно жестче, чем деревянная шпала. Однако опыты показывают, что напряжения в балласте под железобетонными шпалами на 25-30 % выше, чем под деревянной [2]. Следовательно, рассредоточение нагрузок от подвижного состава на балласт при железобетонных шпал несколько слабее, чем при деревянной шпале.

Различный характер связи жесткости элементов конструкции пути с его способностью распределять нагрузку обусловлен не только видом материала изготовления, но и размещением его в конструкции пути, а также особенностями передачи на него нагрузки. Если, например, подрельсовое основание состоит из однородного материала, то с увеличением его жесткости зона влияния нагрузки по глубине сокращается. При очень большой жесткости эта зона ограничивается областью контактных воздействий. В действительности, по материалам исследования и опыта эксплуатации пути, такой закономерности нет, т.к. материал и форма элементов конструкции различны, а жесткость их по мере удаления от зоны контактных воздействий понижается. Поэтому для наиболее эффективной загрузки всех элементов конструкции пути и обеспечения солидарной и длительной их работы в пути необходимо учитывать соответствующие сочетания и величины жесткости и распределяющие способности каждого элемента. Практически при каждом опытном исследовании взаимодействия пути и подвижного состава необходимо определять модуль упругости подрельсового основания. Этот параметр непосредственно характеризует совместную жесткость всех элементов конструкции пути, на которые опирается рельс. Значения жесткости каждого элемента конструкции пути приводятся в ряде работ. Например, в [3] модуль упругости и вертикальная жесткость отдельных элементов конструкции пути имеют следующие значения, таблица 1.

Таблица 1 - Значения модуля упругости и вертикальной жесткости Ж отдельных элементов пути

Несколько иные значения перечисленных величин опубликованы в [4], таблица 2.

Таблица 2 - Значения вертикальной жесткости Ж отдельных элементов пути

Для более полного представления о сочетании жесткости отдельных элементов путь в [1] рассмотрен как многоярусная рессорная система, в каждом ярусе которой имеется достаточно большое количество однотипных пружин. В такой системе жесткости отдельного элемента, например, балластного слоя или шпал, по длине пути равняется сумме жесткости параллельно расположенных однотипных пружин Ж_i [5]. Жесткость пути в отдельно взятом сечении по вертикали в целом представляется как суммарная жесткость последовательно соединенных разнотипных пружин Ж^I_i, Ж^II_i, Ж^III_i и т.д., которая определяется по следующей формуле, например, для трех пружин:

Ж = Ж^I_i Ж^II_i Ж^III_i/(Ж^I_i Ж^II_i + Ж^I_i Ж^III_i + Ж^II_i Ж^III_i), (1)

Сложение частных значений жесткости в каждом ярусе рессорной системы при определении суммарной жесткостью яруса позволяет получить значение общей жесткости отдельного элемента конструкции пути в пределах зоны влияния на рельсовую нить сосредоточенной нагрузки. Последовательное соединение пружин в каждом поперечном сечении рессорной системы позволяет получить пониженную общую жесткость по сравнению с жесткостью каждой отдельной пружины. В данном случае иллюстрируется деформируемость конструкции пути в целом, т.к. модуль упругости подрельсового основания существенно меньше, чем модуль упругости отдельных составляющих конструктивных элементов конструкции пути.

Таким образом, представляя путь как систему, состоящую из отдельных упругих элементов разной жесткости, сгруппированных по величине последней в параллельные ряды-ярусы, подбирается такая последовательность их размещения, когда все элементы конструкции пути будут работать равномерно, без концентрации силового воздействия в какой-либо зоне конструкции пути.

Общая упругость пути складывается из упругостей отдельных его элементов. Общая деформация конструкции пути складывается из деформации отдельных элементов и выражается формулой:

у = Р₁ Ж₁ + Р₂ Ж₂ + Р₃ Ж₃ + … + Р_n Ж_n. (2)

Нагрузки Р_i при действии на систему упругих элементов сосредоточенной силы являются коэффициентами К_i распределения внешней нагрузки, и формула (2) имеет вид:

у = К₁Ж₁ + К₂ Ж₂ + К₃ Ж₃ + … + К_n Ж_n. (3)

При заданном законе изменения жесткости элементов конструкции пути в формуле (2) значения жесткости Ж_i заменяются произведением одной искомой жесткости на коэффициенты m_i. Формула (3) имеет вид:

_{i = n}

у = {? (К_i/m_i)}/Ж. (4)

^{i = 1}

где n - число упругих элементов конструкции пути.

На практике невозможно да и нецелесообразно создавать такую конструкцию пути, чтобы в ней при действии сосредоточенной силы упругие деформации каждого элемента были одинаковыми. Поэтому при сохранении равномерности изменения жесткости по высоте конструкции целесообразно некоторое ее повышение для элементов, расположенных ближе к рельсу. Убывание значений жесткости элементов подрельсового основания по мере удаления от рельса должно быть более интенсивным, чем изменение воздействия внешней нагрузки на нижние конструктивные элементы. В [1] принято, что воздействие внешней нагрузки распределяется по закону с величинами коэффициентов распределения К, равными: 0,5; 0,5; 0,375; 0,375; 0,3125. Жесткость элементов изменяется т.о., что каждый последующий элемент имеет в 2 раза меньшую жесткость, чем предыдущий. С учетом формулы (3), определена при этих данных необходимая жесткость скрепления для пути с рельсами типа Р50 (износ 9 мм), балластом из щебня и деревянной шпалой (тип 1А)- 2000 шт. на 1 км. Жесткость рельса в расчете не учтено, т.к. при изгибе без учета реактивного отпора основания она составляет всего 0,415 Т/мм. Общий прогиб рельсовой нити при действии нагрузки, равной 1 Т, составляет: f_общ = Р/8ЕIk³ = 1/8.2,1.10⁶.2018.0,01143³ = 0,02 см.

Подставляя значение f_общ в формулу (3), получено:

0,02 = К₂Ж₂ + К₃ 0,5Ж₃ + К₄ 0,25Ж₄ + К₅ 0,125Ж₅ + К₆ 0,0625Ж₆ =

(0,5/1,0 + 0,5/0,5 + 0,375/0,25 + 0,375/0,125 + 0,3125/0,0625)/Ж₂;

Ж₂ = 11/0,02 = 550 Т/см.

В соответствии с принятым законом изменения жесткости элементов пути получено: для скреплений Ж₂ = 550 кН/мм; деревянная шпала - Ж₃ = 275 кН/мм; щебня - Ж₄ = 137, 5 кН/мм; песчаной подушки - Ж₅ = 68,5 кН/мм; нижнее строение пути - Ж₆ = 34,25 кН/мм. При обычных грунтах нижнее строение пути жесткость песчаной подушки мало отличается от жесткости основной площадки нижнего строения пути, и для уточнения полученных данных принято величины коэффициентов m₅ и m₆ одинаковыми. С учетом этого значение искомой жесткости скреплений составит: Ж₂ = 8,5/0,02 = 425 Т/см = 425 кН/мм. Откорректированные значения жесткости других элементов пути будут такими: деревянная шпала - Ж₃ = 212,5 кН/мм; щебень - Ж₄ = 106 кН/мм; песчаная подушка - Ж₅ = 53 кН/мм; нижнее строение пути - Ж₆ = 53 кН/мм. Эти значения жесткости элементов пути и нижнего строения пути довольно близки к величинам, приведенным в таблице 2 в [6].

Аналогично определены необходимая жесткость скрепления для пути с рельсами типа Р65, балласт из щебня и железобетонная шпала - 1840 шт. на 1 км, прокладка типовая толщиной 5-6 мм и прокладка повышенной упругости, и получены следующие значения жесткости:

- вариант с типовой прокладкой (с учетом равенства жесткости песчаной подушки и нижнего строения пути) скрепление - Ж₂ = 1700 кН/мм; с железобетонная шпала - Ж₃ = 850 кН/мм; щебень - Ж₄ = 425 кН/мм; песчаная подушка - Ж₅ = 212,5 кН/мм; нижнее строение пути - Ж₆ = 212,5 кН/мм;

- вариант с прокладкой повышенной упругости (с учетом равенства жесткости песчаной подушки и нижнего строения пути) скрепление - Ж₂ = 1250 кН/мм; железобетонная шпала - Ж₃ = 62,5 кН/мм; щебень - Ж₄ = 312,5 кН/мм; песчаная подушка - Ж₅ = 156,3 кН/мм; нижнее строение пути - Ж₆ = 156,3 кН/мм. Как видно из приведенных расчетов значения жесткости элементов пути с рельсами Р65 и с железобетонными шпалами больше чем для пути с рельсами Р50 и деревянными шпалами от 3 до 4 раз.

Вышеизложенное позволило сформулировать ряд принципиальных положений о соотношении механических свойств конструкции пути [1]:

1. Для обеспечения равномерной работы всех элементов конструкции пути и основной площадки нижнего строения пути необходимым условием является постепенное без резких скачков изменение вертикальной жесткости при переходе от одного элемента к другому.

2. Сочетание 2-х соседних элементов в конструкции пути с различной жесткостью приводит к существенному усилению воздействий и осложнению условий работы конструкции пути в этой зоне. Если два таких конструктивных элемента пути расположены не непосредственно под рельсом, а находятся дальше от места приложения внешней нагрузки, то неблагоприятное влияние разности жесткость ослабевает.

3. Деформируемость совместно работающих конструктивных элементов пути при воздействии внешней сосредоточенной нагрузки зависит от жесткости и способности каждого элемента распределять внешнюю нагрузку.

4. При подрельсовом основании, содержащем раздельные опоры под рельсовой нитью, зона влияния внешней нагрузки на элементы пути оказывается несколько больше, чем в случае опор непрерывного типа в виде длинных лежней, рам или плит. Устройством раздельных опор обеспечивается лучшее и более равномерное распределение воздействий внешней нагрузки на путь.

5. Конструктивный элемент пути с большой жесткостью должен иметь и увеличенный ход деформации, т.е. размер поперечного сечения в направлении действия нагрузки должен быть возможно большим и упругая деформация должна распространяться по всей высоте поперечного сечения при значительных колебаниях величины внешней нагрузки.

6. Снижение жесткости подрельсового основания из железобетонных шпал путем использования в промежуточных скреплениях упругих прокладок существенно улучшает условия работы рельсов. Но размещение относительно небольшого упругого элемента вблизи места приложения внешней нагрузки при любом конструктивном решении приводит к концентрации работы сил упругого отпора основания в зоне узла прикрепления к нему рельса. Это неизбежно повышает интенсивность работы и возможность повреждений элементов промежуточных скреплений.

7. При проектировании новых конструкций пути необходимо стремиться к тому, чтобы было обеспечено постепенное понижение вертикальной жесткости составляющих ее элементов в направлении от рельсовых нитей к нижнему строению пути.

8. Критерием, наиболее полно определяющим преимущество той или иной конструкции пути перед остальными, являются обобщенные материалы технико-экономических исследований, достаточно больших опытных данных.

Изложенные выше предложения необходимо рассматривать, как один из методов регулирования и стабилизации жесткости пути на железобетонных шпалах.

Литература

1. Мелентьев Л.П. Об оптимальном соотношении механических свойств элементов верхнего строения пути. В сб.: Совершенствование конструкций пути и стрелочных переводов.- М.: Транспорт, 1973. - С. 32-42.

2. Голованчиков А.М. Исследование напряженного состояния балластной призмы железнодорожного пути под поездной нагрузкой: автореф. …канд. дис. 05.22.06. - М.: ВНИИЖТ, 1967. - 24 с.

3. Новичков В.П. Рациональные способы усиления железнодорожного пути // Железнодорожный транспорт, 1956. - №4. - С. 66 - 68.

4. Новые исследования пути с различным подрельсовым основанием. Перевод. Бюллетень технико-экономической информации, 1958. - №1. - С. 67-85.

5. Винокуров М.В. Вагоны. - М.: Трансжелдориздат, 1949. - С. 135-137.

6. Боченков М.С. Определение упругих характеристик промежуточного скрепления // Вестник ВНИИЖТ, 1965. - №7. - С. 34-37.

Размещено на Allbest.ru