Rails Torg

Исследование факторов, влияющих на формирование продольных сил в плети

Оглавление

Цикл статей:
Глава 1 – Напряженное состояние рельсовой плети и методы его определения

Глава 2 – Исследование факторов, влияющих на формирование продольных сил в плети

Глава 3 – Метод определения напряженного состояния плети

Глава 4 – Автоматизированная система контроля напряженного состояния плетей бесстыкового пути

Характеристики, определяющие напряженное состояние
бесстыкового пути

Рассмотрим показатели, необходимые для определения напряженного со­стояния бесстыкового пути. Устойчивость любой системы определяется балан­сом воздействий – возмущающего и восстанавливающего. Возмущающим воз­действием в данном случае является поперечная сила сдвига путевой решетки, состоящая из температурного усилия (т.е. усилия, обусловленного наличием нереализованных перемещений торцов рельсов в стыках при накоплении раз­ницы текущей температуры плети и температуры закрепления плети) и воздей­ствия подвижного состава. При этом силы могут, в зависимости от направле­ния действия, увеличивать либо уменьшать суммарную величину продольного усилия. Реальная эпюра может быть рассчитана исходя из конкретных про­дольных усилий в конкретном сечении рельса с учетом плана и профиля (вклю­чая эксплуатационные деформации геометрии колеи).

Восстанавливающим усилием является сила (также распределенная вдоль плети) сопротивления поперечному сдвигу путевой решетки. Она состоит из силы трения подошвы шпалы по балласту, сил трения боковых поверхностей шпал по балласту в шпальных ящиках, сопротивления балласта с торцов шпал, а также сил, обусловленных собственной жесткостью путевой решетки.

Таким образом, для расчета устойчивости требуются показатели, которые можно разделить на три группы, например, как это сделано в работе Зверева Б.Н. [42]:

  • паспортные (проектные) характеристики (условно постоянные данные),
  • тактические показатели (среднесрочные данные),
  • оперативные (краткосрочные) данные.

К постоянным (паспортным) данным относятся: проектный план; проект­ный профиль; тип рельсов; тип шпал; тип скреплений; род балласта; диапазон температур рельсов в данной климатической зоне.

К среднесрочным (тактическим) характеристикам относятся: данные о проведенных путевых работах; пропущенный тоннаж; средняя загрязненность балласта (определяемая пробами либо исходя из пропущенного тоннажа после последней очистки балласта); механические свойства балласта (либо в виде эпюры, при наличии средств диагностики, либо рассчитанные в функции от пропуска тоннажа); средняя осевая нагрузка; средняя грузонапряженность.

К оперативной информации относятся: информация о текущей температу­ре плети;

данные метеослужбы о температуре воздуха (как текущие, так и суточный и недельный прогнозы); состояние геометрии балластной призмы; геометрия плети; продольные усилия в плети. Вышеприведенное разделение показателей состояния на группы определя­ется условиями изменения этих показателей – первая группа меняется только в результате реконструкции линии, вторая имеет достаточно длительный цикл постоянства значений – от нескольких недель до нескольких лет, третья группа меняется практически каждый день. Эти группы наглядно представлены на рис. 2.1.

Причины неравномерного распределения продольных напряжений в рельсовой плети. Состояние «маячных» шпал

В настоящее время на сети дорог широко внедряется бесстыковой путь с рельсовыми плетями длиной до блок-участка, перегона. Это позволяет сокра­тить число стыков, что приводит к снижению эксплуатационных расходов, со­кращению расходов на тягу поездов, повышению комфорта для пассажиров. Однако с увеличением длин плетей растет вероятность появления неравномер­ного закрепления плетей, неравномерности свойств балласта, неравномерного воздействия поездной нагрузки, выполнение путевых работ на отдельных уча­стках плети. Кроме того, температура плети по ее длине не является постоян­ной, это связано с тем, что одна и та же плеть может быть по разному ориенти­рована в горизонтальной плоскости, при этом часть ее может находиться в вы­емке, а часть на насыпи. Перечисленные факторы позволяют сделать вывод о том, что плеть подвержена неодинаковому продольному силовому воздействию по длине. Подтверждением этому служат наблюдаемые в эксплуатации [49, 99] случаи продольного перемещения средней части плети, которая по расчету должна быть неподвижной. В таких случаях температура закрепления всей пле­ти не может быть расчетной для определения температурных сил по известной формуле:

В ряде случаев, в кривых участках пути наблюдается «защемление» по­дошвы рельса в подкладке КБ, вследствие чего коэффициент трения увеличива­ется. что в свою очередь препятствует равномерному распределению продоль­ных деформаций по длине плети. Эти факторы вызывают концентрацию про­дольных напряжений перед кривой, так как температурные деформации или деформации, вызванные внешними воздействиями, не могут распределиться на участок, расположенный за кривой. Иными словами деформации не могут «пройти» участок с повышенным коэффициентом трения и вызывают концен­трацию продольного напряжения перед этим участком, так как напряжение пропорционально несостоявшемуся удлинению.

Другой причиной неравномерного распределения продольных напряжений может стать наличие в пределах плети участков торможения поезда при одно­стороннем движении. Эти участки подвержены угону, особенно при ослабле­нии затяжки гаек клеммных болтов. [49, 99]

Смещения участков плети, вызванные угоном, приводят к появлению до­полнительных продольных напряжений особенно при неравномерной затяжке гаек клеммных болтов, что встречается на практике достаточно часто.

Особое внимание следует обращать на те отрезки бесстыкового пути, где участки торможения поезда расположены перед кривыми. В этих местах наи­более вероятна опасная концентрация напряжений, которая может стать одной из причин выброса пути.

Причиной неравномерного распределения продольных напряжений может стать несоблюдение технологии укладки и закрепления плетей. Наиболее рас­пространенные нарушения:

  • разница температур закрепления «коротких» плетей, составляющих «длинную» плеть превышает 10°С;
  • сварка с предварительным изгибом закрепленных плетей при средней температуре закрепления двух свариваемых плетей с отклонением более 5° С без последующего перераспределения напряжений путем вывеши­вания плети на ролики или на полиэтиленовые пластины.

Несоблюдение технологии работ по текущему содержанию и ремонту пути может так же привести к неравномерному распределению продольных напря­жений в плети, особенно при работе машин тяжелого типа.

Восстановление целостности плети после излома зимой без растягивающих приборов и без последующей разрядки напряжений весной, приводит к значи­тельной неравномерности распределения продольных напряжений в рельсовой плети.

Дополнительные напряжения могут возникнуть на границе «неподвижно­го» участка плети с зоной «дыхания». В этом месте могут наблюдаться пики продольных сил вследствие запаздывания смещений рельсовой плети в зоне «дыхания» от изменения температуры плети по причине неупругой характери­стики балласта.

На участках бесстыкового пути с односторонним движением наблюда­ется неравномерность напряжений между начальной и конечной зонами «дыха­ния» плети. Начальным называем тот конец плети, который встречается первым по направлению движения поезда. По данным наблюдений [48, 49, 99] длины и величины перемещений в начальной и концевой зонах “дыхания” бесстыкового пути всегда неравны в зависимости от изменений температуры рельсов. Вооб­ще их величины в концевой зоне больше, чем в начальной летом, а зимой на­оборот.

В процессе эксплуатации необходимо контролировать не только макси­мальное смещение плети относительно «маячных» шпал, но и неравномерность распределения смещений по длине плети, особенно перед «упорными» участ­ками. В процессе эксплуатации может сложиться такая ситуация, что нейтраль­ная температура, подсчитанная с учетом максимальной подвижки участка пле­ти Л/ не выходит за пределы расчетного интервала, но вместе с тем, на отдель­ных участках плети (подходы к кривым, мостам, переездам, граничные участки подвижной и неподвижной частей плети) могут концентрироваться критиче­ские продольные напряжения, которые могут стать одной из причин выброса пути.

Отклонение нейтральной температуры от температуры закрепления этого участка плети определяется при помощи маячных шпал, по методике изложен­ной в [106 ]. Исследование состояния маячных шпал, выполненное автором, на ряде дистанций пути позволяет сделать вывод о том, что контроль подвижек плети на отдельных участка не ведется. По меткам изображенным на рис. 2.2 – 2.5. выполнить контроль подвижек невозможно. Кроме нечеткого нанесения меток, встречается и ряд других нарушений требований ТУ [106]:

  • клеммы на подкладках «маячных» шпал не стачиваются, подрельсовые резиновые прокладки не заменяются на полиэтиленовые (в качестве по­лиэтиленовой прокладки может использоваться часть нижней проклад­ки ПН-65 от объемлющего изолирующего стыка), в результате чего, плеть не может свободно перемещаться по подкладке «маячной» шпа­лы, что искажает данные о реальных подвижках плети;
  • гайки закладных болтов недостаточно затянуты, поэтому плеть может перемещаться вместе с подкладкой (рис. 2.2);
  • метки наносятся не в момент закрепления плети, а через значительный промежуток времени (до нескольких недель) при этом температура пле­ти в момент закрепления и в момент нанесения меток может значитель­но различаться, кроме того, за этот промежуток времени плеть может подвергаться силам угона, которые могут привести к незафиксирован­ным подвижкам плети;
  • при обновлении новые метки наносятся не поверх старых, а рядом с ни­ми у грани подкладки шпалы, при этом никаких работ по разрядке на­пряжений не производится, это лишает работников дистанции пути возможности иметь представление о напряженном состоянии плети;
  • встречаются ситуации, когда обновляются метки на старом месте и ря­дом наносятся новые метки (рис. 2.3; 2.4).

Изменение длины участка плети на 10 мм приводит к изменению ней­тральной температуры на 8,5 °С. Нетрудно подсчитать какое удлинение приве­дет к тому, что пересчитанная температура закрепления выйдет за границы рас­четного интервала.

Нейтральная температура может отличаться от первоначальной темпера­туры закрепления на 15-20 °С. Это соответствует тому, что в плети имеются дополнительные (неучтенные) напряжения соответствующие 375-500 кг/см2.

Устройство «маячных» шпал необходимо выполнять в соответствии с ТУ [106] (см. рис. 2.7). Клеммы должны быть сточены, (см. рис. 2.8), так чтобы их внутренняя грань не касалась подошвы рельса (рис.2.7), или сняты совсем. Ре­зиновые подрельсовые прокладки заменены на полиэтиленовые (с низким ко­эффициентом трения), в качестве которых могут использоваться часть нижней прокладки от объемлющего изолирующего стыка. Риски должны быть нанесе­ны в соответствии с рис. 2.6, и если не проводились разрядки напряжений, то новые риски при обновлении должны наноситься поверх старых.

Возможные случаи нарушений расчетного температурного
режима бесстыкового пути

При замене уравнительных рельсов в процессе укладки рельсовых плетей бесстыкового пути могут возникать отступления от равномерного вдоль рель­сов распределения продольных сил. За время закрепления рельсовых плетей на шпалах может изменяться температура. В кривых участках при надвижке рель­совых плетей по внутренней нити может возникать дополнительная продольная сжимающая сила, а по наружной рельсовой нити дополнительная растягиваю­щая.

При надвижке рельсовых плетей перед их закреплением могут применять­ся ударные разгоночные приборы, при работе которых также могут возникать дополнительные продольные силы.

Обычно дополнительные напряжения в перечисленных случаях относи­тельно невелики в связи с тем, что градиент продольной силы зависит от по­гонного сопротивления, которое при свободно лежащем рельсе не превышает 0,25-0,50 кН/м.

Однако, если внешние продольные силы действующие при ремонте на рельсовые плети прикладываются хотя бы к частично закрепленным рельсам, то дополнительные продольные силы в бесстыковом пути могут оказаться весьма большими.

Например, при надвижке с одновременным закреплением рельсовых пле­тей может понадобиться применение ударного разгоночного прибора для вытя­гивания внутренней нити в кривой. В этом случае в рельсовой плети может быть создана местная дополнительная растягивающая сила.

Опаснее дополнительная сжимающая продольная сила, которая при над­вижке рельсовых плетей по наружной нити в кривой также может быть создана разгоночным ударным прибором. Необходимость применения разгоночного прибора в этом случае менее вероятна, хотя и не исключена.

Дополнительная сжимающая продольная сила может возникнуть в рельсо­вой плети по внутренней нити в кривой при принудительном выпрямлении об­разующейся при надвижке стрелы [84] .

Величину дополнительной продольной силы в указанных случаях трудно прогнозировать, она зависит от интенсивности силовых воздействий на рельсо­вые плети и степени их закрепления на шпалах.

Вероятная максимальная величина отступления от расчетного значения продольных сил в рельсовых плетях в процессе их надвижки обычно приме­няемыми средствами может быть эквивалентна фактическому изменению учи­тываемой температуры закрепления на 20°С.

При применении специальных устройств и способов, например, для при­нудительного выпрямления рельсовых плетей можно создать еще большее от­ступление от расчетного режима работы бесстыкового пути.

Разрядка напряжений в рельсовых плетях

Если разрядку температурных напряжений производят в соответствии с техническими указаниями, то при постановки рельсовых плетей на ролики до­полнительные продольные силы в бесстыковом пути должны быть пренебре­жимо малыми. При разрядке напряжений без перерыва движения поездов ( эпи­зодической или периодической ) в ТУ учитывается возможная ошибка в опре­делении фактической температуры закрепления на 1°С.

Однако необходимо считаться с реальными возможностям и производства разрядки напряжений с постановкой рельсовых плетей на ролики. Как по тру­довым затратам, так и по вероятности получения “окон” в необходимое время дня и года способ разрядки с постановкой на катучие опоры оказался практиче­ски неприемлемым.

Способ разрядки без перерыва движения поездов с учетом расчетных уд­линений на концах может давать погрешности и более 12 °С, особенно на рези­новых прокладках.

Предложенный способ разрядки с временной укладкой полиэтиленовых прокладок менее трудоемок, чем с укладкой роликов и позволяет производить работы без ” окна “. Однако и этот способ без контроля и регулировки не ис­ключает возможность возникновения нарушений фактического расчетного температурного режима работы бесстыкового пути более 12 °С. При наличии же контроля следует определить, что менее трудоемко и надежно, укладка ли полиэтиленовых прокладок по всей длине или работа с разгоночным прибором.

Возможно, что и на полиэтиленовых прокладках не обойтись без ударного разгоночного прибора.

Без контроля за продольными силами во время разрядки, который и не предусмотрен ТУ возможна “ложная разрядка”, а в этом случае ошибка в фак­тической температуре закрепления может быть весьма большой. Ложная раз­рядка – это, например, когда концы рельсовой плети удлиняются на расчетную величину, а середина остается при прежней температуре закрепления.

Ремонтные работы с применением машин тяжелого типа

При работе щебнеочистительных машин могут возникнуть значительные отступления от учитываемой температуры закрепления рельсовых плетей [84] . На месте начала работы возникает дополнительная растягивающая, а на месте окончания работы щебнеочистительной машины возникает дополнительная сжимающая сила. Величина возможного максимального отступления эквива­лентна изменению температуры закрепления в сторону ее повышения или по­нижения до 15 °С.

Учитывая быстрое последующее в процессе эксплуатации перерас­пределение возникшей растягивающей продольной силы с уменьшением мак­симума, ее можно не учитывать. Сжимающая дополнительная сила в сумме с
температурной могут значительно повлиять на температурный режим плетей во время работы машин, а в экстремальных случаях может вызвать потерю устой­чивости рельсо-шпальной решетки и после работы машины – в процессе экс­плуатации.

Дополнительная сжимающая сила в процессе эксплуатации также умень­шается по своей максимальной величине, однако, скорости ее изменения при быстром увеличении температурной силы может иногда оказаться недостаточ­ной, чтобы оказаться от мер по ее принудительному уменьшению.

В Технических указаниях [106] регламентируется допускаемое изменение температуры рельсовых плетей при работе путевых машин (см. табл. 2.1).

Восстановление или удлинение плетей сваркой с предварительным изгибом

При выполнении сварки способом предварительного изгиба на месте про­изводства работ, если не соблюдены технологические указания, могут возни­кать значительные дополнительные продольные силы.

В процессе последующей эксплуатации, допущенные во время сварки от­ступления от температуры закрепления остальной части рельсовой плети из-за большой плотности балласта, сглаживаются медленнее, чем после ремонта с применением щебнеочистительных машин. При выполнении регламентации Технологических указаний по контролю за остаточной стрелой, величиной осадки и оплавления, припуском – эти нарушения незначительны.

Однако само нарушение учитываемого температурного режима работы бесстыкового пути из-за отсутствия необходимых приборов непосредственно в пути проверить нельзя.

Угон бесстыкового пути

Угон рельсошпальной решетки в процессе ремонта и в период стабилизации

При работе машин тяжелого тина, работающих с подъемкой пути рельсо-шпальная решетка перемещается в сторону движения машины на величину разницы длин между кривой, изогнутой оси и прямой [84]. Максимальная вели­чина продольного перемещения рельсо-шпалъной решетки при работе щебнео­чистительных машин составляет до 15 мм.

Однако после окончания ремонта в период стабилизации, если движение поездов происходит в ту же сторону, куда при ремонте двигалась щебнеочисти- тельная машина, под действием сил угона релъсо-шпалъная решетка за период стабилизации может еще сместится в ту же сторону на 20-30 мм.

В указанном случае максимальное отступление от температуры закрепле­ния рельсовой плети в местах начала и окончания ремонтируемого участка мо­жет достигнуть 30 °С. В начале участка нейтральная температура плети стано­вится меньше температуры закрепления, а в конце – больше температуры за­крепления.

Угон рельсовых плетей

При ослаблении натяжения клеммных или закладных болтов под действи­ем продольных сил может произойти перемещения рельсовых плетей относи­тельно шпал.

При ослаблении закладных болтов, что бывает реже, величина перемеще­ния казалось бы ограничена, возможное в этом случае смещение подкладок приводит к большим деформациям и разрушению деталей промежуточных скреплений, что может быть по последствиям хуже, чем смещение рельсов от­носительно подкладок.

Наиболее часто встречается угон пути рельсовых плетей относительно подкладок. Этот угон достигает нескольких десятков сантиметров, а иногда и нескольких метров. Последнее возможно, когда несколько раз в начале угоняе­мого участка удлиняют уравнительные рельсы, а в конце укорачивают.

В данном случае из-за угона дополнительные продольные силы могут быть достаточно большими и привести к самым опасным деформациям: к потере ус­тойчивости бесстыкового пути, к разрыву стыковых болтов, к сужению колеи.

Вопросы угона пути детально рассмотрены в работах Альбрехта В.Г., Боченкова М.С., Когана А.Я., Морозова С.И. Покацкого В.А. и других.

В работе [13], М.С. Боченков предлагает следующую схему формирования угона пути. Непосредственно под колесом и на расстоянии полуволны про­гибов в ту и в другую сторону от колеса поперечные сечения рельса вертикаль­ны (рис. 2.10). зана на рис. 2.10. Если основание упруго в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а рельс достаточно прочно прикреплен к нему, то вместе с про­дольными перемещениями подошвы рельса будет перемещаться и основание. При недостаточном прикреплений рельса основание только частично будет следовать за продольными перемещениями его подошвы. В этом случае на уча­стках максимальных перемещений подошвы рельса будет иметь место про­скальзывание рельса по основанию (рис. 2.11). Штриховой линией показаны продольные перемещения подошвы рельса, штрих-пунктирной линией — мак­симальное отклонение основания, обусловленные силами трения между рель­сом и основанием и сплошной линией — действительные отклонения основа­ния. На участках 3—4 и 9—10 (рис. 2.11) возникает проскальзывание, направ­ленное в сторону движения колеса, а на участке 6—7 — в противоположную сторону. Силы трения на участке проскальзывания назад, как показывают ис­следования [4], больше сил трения на участках проскальзывания вперед. В силу этого на участке 6—7 проскальзывание назад наступает не на всем его протя­жении, а только на некоторой части, определяемой из равенства сил трения проскальзыванию вперед и назад. На некотором протяжении участка 6—7 на­ступает поворот поперечных сечений рельса без проскальзывания подошвы по основанию и без увеличения отклонения основания. Это приводит к общему смещению рельса относительно основания, т. е. к угону.

В работе [9] В. Г. Альбрехтом рассматривается формирование продольных сил для случая, когда клеммы промежуточных скреплений в зоне прогибов под тележкой ослаблены, а впереди лежащий по направлению движения отрезок рельсовой плети надежно закреплен. Несимметричность эпюры продольных сил — следствие проскальзывания подошвы нагруженного рельса по основа­нию впереди первого колеса тележки (рис.2.12, а, интервал 00), которое возни­кает при условии, что в отдельных сечениях силы трения по контакту подошвы рельса с основанием ртр меньше сил реактивного отпора упругого отклоненного основания—рупр. Точка А, характеризующая нейтральное положение основа­ния, оказывается смешенной вперед (рис. 2.12, б), и практически все сечения основания в зоне под тележкой будут упруго сдвинуты в сторону, обратную движению. В этом случае (рис. 2.12, в) давление на упор — сила угона пути [9] определяется по формуле

Если бы впереди не было не­подвижного рельса, то при движении колес тележки рельс смещался бы (угон) в сторону движения, а нейтральная точка А — в зону между колесами (точка А( на рис. 2.12, а), вследствие чего эпюры продольных сил выровнялись бы (см. рис. 2.12, в).

Если промежуточные клеммные скрепления обеспечивают надежную связь с основанием (при надлежащей затяжке болтов), то подошва при воротах сече­ний рельса всегда перемещается вместе с подкладками и шпалами (не про­скальзывает по основанию). Эпюра перемещений подошвы рельса (см. на рис. 2.12, а штриховую линию) отображает такие же перемещения упругого основа­ния, а сумма горизонтальных сил, направленных в сторону движения, равна сумме сил обратного направления. В том случае, когда противоугоны и клемм­ные скрепления не обеспечивали надежную связь рельса с основанием, в про­цессе экспериментов были многократно зафиксированы силы угона Ру дости­гающие 5—10 кН/’м (табл. 2.2).

На длине поезда эти силы суммируются, в результате чего впереди поезда и под ним могут возникать продольные силы, достигающие по двум рельсовым ниткам 1500—2000 кН [9].

Местное проскальзывание подошвы рельса при изгибе его под дви­гающимся поездом не будет происходить, если в любом сечении силы трения РтР будут равны или больше сил реактивного отпора основания, отклоненного от своего нейтрального положения [9], т. е.

В работе Покацкого В.А. [91] отмечается, что при недостаточном прижа­тии подошвы рельса к основанию при проходе поезда по поверхности соприка­сания подошвы рельса и основания начинают действовать угоняющие силы р(u), определяемые силами трения, действующими по этой поверхности, и про­дольной упругостью подрельсового основания. Значение осредненной угоняю­щей силы [91] определяется выражением

Здесь использовано очевидное соотношение u= —vi. Величина проскаль­зывания подошвы рельса относительно основания А может быть определена по алгоритму, основные принципы которого содержатся в работе Альбрехта В.Г. 4], однако при этом должно учитываться изменение эпюры перемещений по­дошвы рельса, вызванное поступательной скоростью его нейтральной оси [54]. Многовариантные расчеты величин средних погонных угоняющих сил при раз­личных относительных скоростях движения нейтральной оси рельса [54] по­зволили построить графики зависимости средней погонной угоняющей силы (р) от относительной скорости угона б, рис. 2.13, которые качественно соответ­ствуют аналогичным зависимостям, полученным для случая чисто фрикцион­ного взаимодействия рельса и подрельсового основания. Анализ графиков (р) = (р(е)) показывает, что данная функция, точно так же, как и для случая чисто фрикционного взаимодействия рельса и подрельсового основания, может быть аппроксимирована линейной зависимостью

Значения коэффициен­тов а и Ь, вычисленные для основных видов вагонов и в зависимости от типа верхнего строения пути, приведены в работе [54].

В работе [91] сделан вывод о том, что для промежуточных скреплений ти­па КБ величина минимально-допустимого уровня затяжки клеммных болтов, исключающего явления угона и обеспечивающего надежную работу бесстыко­вого пути составляет: 60…80 Н’м, при резиновых подрельсовых прокладках. В Технических указаниях [106] сказано, что во избежании угона плетей бесстыкового пути средний крутящий момент затяжки клеммных болтов в экс­плуатации должен быть не менее 100 Н’м, закладных – 70 Н’м. Для обеспечения запаса усилия прижатия затяжку гаек при укладке плетей и при подтягивании их в процессе эксплуатации необходимо производить с крутящим моментом: для клеммных болтов – 200 Н’м, закладных 150 Н’м.

Экспериментальное исследование продольных сил в плетях путем измерения подвижек

Основной объем ранее проводившихся экспериментальных исследова­ний касается плетей, длиной не более 800 м, хотя в период внедрения плетей длиной с блок- участок, перегон исследовалось поведение плетей до 3000 м и более. Эти исследования наглядно показывают, что с ростом длины плетей рас­тет неравномерность распределения температуры по длине плети и неравно­мерность распределения подвижек участков плети.

В работе [27], приводятся результаты экспериментов с плетями длиной 600 м (рис. 2.16) и 2202 м (рис. 2.17). Эти результаты наглядно показывают, что контроль температурного режима плетей по створам и маячным шпалам позво­ляет не только следить за изменениями нейтральной температуры и напряжен­
ного состояния плетей, но и более грамотно назначать работы по вводу их в расчетный температурный интервал.

На рис 2.17 приведен график изменения температуры закрепления плети после пропуска 500 млн. т. брутто. Можно видеть, что на участке АВ, где плеть укоротилась, температура закрепления не вышла за нижнюю границу интерва­ла. На участке ВС плеть оказалась растянутой, но тоже не вышла за границы интервала. На отрезке СК она сжата, температура закрепления вышла за ниж­нюю границу интервала. Следовательно, на отрезке СК необходимо выполнить разрядку напряжений, вызванных подвижками плети. То же желательно сде­лать на отрезке АВ.

Методика экспериментов по определению подвижек плети относительно неподвижных точек

С участием автора во ВНИИЖТе проводились исследования по определе­нию подвижек плети относительно неподвижных точек. Цель экспериментов – зафиксировать и сравнить подвижки рельсошпальной решетки относительно маячных шпал

1 (рис. 3.7), подвижки рельсошпальной решетки относительно опор контактной сети

2 и подвижки плети относительно шпал с типовыми скреплениями

З. В ходе экспериментов был выбран участок бесстыкового пу­ти с длинами плетей более 1000 м, на нем имеются кривые, уклоны, участки разгона-торможения. В техническом отделе ПЧ собрана информация о плане, профиле, состоянии балласта, грузонапряженности, дате и температуре укладки плетей. Выкопировки из рельсовой книги, рельсо-шпало-балластной карты (РШБК), журнала учета плетей приведены в приложении. Выбранный участок размечен масляной краской, как показано на рис 2.18 и 2.19, при температуре равной температуре укладки плети.

Периодически (раз в квартал) и дополнительно в период пиков температу­ры производятся следующие замеры:

  1. Определение подвижек плети относительно маячных шпал.
  2. Определение подвижек рельсошпальной решетки относительно опор контактной сети т.е. сумы подвижек шпал по балласту и плети по под­кладкам.
  3. Определение затяжки гаек клеммных болтов.
  4. Определение температуры воздуха и рельсов в начале и в конце изме­рений.
  5. Сбор информации о произведенных работах на этом участке и измене­ниях грузонапряженности.

По результатам измерений в одной системе координат построены графики подвижек плети и подвижек рельсошпальной решетки, затяжки клемм, измене­ние нейтральной температуры плети. После чего определялось, не выходит ли пересчитанная нейтральная температура плети за границы интервала закрепле­ния. Затем определялось критическое значение продольного напряжения в пле­ти, строилась эпюра фактического продольного напряжения по длине плети. Определены участки, на которых фактические продольные напряжения наибо­лее близки к критическому значению. Проанализировано положение этих уча­стков относительно плана и профиля пути.

Смещения плети и рельсошпальной решетки анализировались на предмет угона и/или деформации. Одновременно определялись участки перераспреде­ления деформаций (например, на участках торможения или перед кривыми), т.е. когда одни участки плети растянуты, а другие сжаты.

Раскладка плетей на исследуемом участке приведена на рис. 2.20. Резуль­таты измерений приведены в виде графиков на рис. 2.21. Из этих графиков вид­но, что подвижки плети относительно маячных шпал, оборудованных в соот­ветствии с ТУ [106], незначительно (на 1…2 мм) меньше подвижек относитель- 67

но опор контактной сети. В то же время подвижки плети относительно обыч­ных шпал меньше подвижек относительно опор контактной сети на 3…6 мм. Эти наблюдения позволяют сделать два вывода:

  1. Маячные шпалы можно использовать в качестве неподвижных то­чек при определении напряженного состояния плетей. Подвижки плети относительно маячных шпал характеризуют не только сме­щение плети по подкладкам, но и смещение рельсошпальной ре­шетки в балласте.

Использование в качестве маячных шпал – шпал с типовыми скре­плениями (нанося только метки краской) недопустимо, так как это существенно искажает картину распределения продольных сил по длине плети.

Источники погрешности измерения подвижек плети

Определение изменений продольных сил по постоянными реперам, по сравнению с тензометрированием имеет как ряд преимуществ, так и ряд не­достатков.

Преимуществом является прежде всего большая база (50… 100м) для оп­ределения относительных удлинений, что позволяет брать отсчет абсолют­ных деформаций с точностью до целых миллиметров с помощью простейше­го измерительного инструмента – линейки с миллиметровыми делениями.

На электрофицированных участках в качестве постоянных реперов ис­пользуются опоры контактной сети, которые на двухпутных участках распо­ложены обычно друг против друга, а по длине на расстоянии приблизительно 60 метров. Это позволяет натягивать между опорами на уровне головки рель­са тонкий шнур (или леску) и определять продольные перемещения рельса по отметке на боковой нерабочей грани головки рельса относительно положения шнура. При измерениях относительно опор контактной сети в полевых условиях могут влиять такие факторы, как: провисание шнура, ветер, неточность от­счета из-за индивидуальных особенностей оператора. При достаточном опы­те и аккуратности оператора погрешность отсчета, составляет не более 1 мм. Влияние этой ошибки при измерениях тем меньше, чем больше база. Так, на­пример, при расстоянии между створами 50 м ошибка при измерениях абсо­лютных перемещений в 1 мм дает ошибку в определении фактической тем­пературы закрепления рельсовой плети примерно на 1,5° С, а при базе 100 м ошибка составит только 0,8 0 С. Наибольшая погрешность при измерениях изменений продольных сил по створам можно считать погрешность в факти­ческой температуре закрепления – 8° С, при базе 50м, и 4 °С при базе 100 м. Это погрешность в определении абсолютных перемещений двух сечений рельсов, составляющая 5 мм.

При других промежуточных значениях базовых расстояний между ство­рами погрешность в определении фактической температуры закрепления может быть найдена интерполяцией. Экстраполяцию тут применять нельзя, ибо например по тому же методу при базе 200 м определяемая выше макси­мально вероятная суммарная погрешность составит уже 28 °С. При расстоя­нии между створами менее 50 м точности измерения абсолютной деформа­ции в 1 мм уже недостаточна, в связи с чем требуется применение более точ­ных приборов, чем линейка с миллиметровыми делениями.

Трудоемкость оборудования бесстыкового пути такими реперами явля­ется одним из существенных недостатков. При недостаточной стабильности репера, из-за его смещения погрешность еще более увеличится, в связи с чем может возникнуть вопрос о целесообразности применения такой системы контроля.

Несмотря на указанные весьма значительные погрешности при опреде­лении изменений фактической температуры рельсовых плетей по створам, этот способ контроля остается единственным практически выполнимым и относительно надежным.

Расчет дополнительной продольной силы в плети при смещений ее относительно контрольных створов

Если бы были известны максимальные значения погонных сопротивлений продольным перемещениям рельсов бесстыкового пути, при которых может происходить угон рельсовых плетей, по формуле (2.2) можно определить максимально возможную дополнительную продольную силу, возникающую на границе утоняемого участка [102]. В таблице приведены данные расчетов по формуле (2.2).

Можно подсчитать какие при этом произойдут изменения нейтральной температуры закрепления рельсовых плетей бесстыкового пути:

Перспективные направления исследований в области диагностики бесстыкового пути

Необходимость комплексного подхода к диагностике бесстыкового пути, да и пути вообще неоднократно отмечалась рядом специалистов, например, Путря H.H., Мишин В.В., Певзнер В.О. в работах [94], [78], отмечали, что параметры пути необходимо рассматривать только в их совокупности. Отмечалось так же, необходимость накопления данных о изменении параметров пути во времени для последующего статистического анализа с целью оценки эффективности проводимых ремонтных работ.

Необходимость создания базы данных о предшествующем состоянии пути обуславливается еще и тем, что в действующих ТУ на бесстыковой путь заложе­ны достаточные коэффициенты запаса для обеспечения надежной работы бесстыкового пути, но нет методики и технических средств для контроля соблюдения требований и норм этих ТУ. Этот аспект подробнее будет рассмотрен ниже.

1 ‘ тах

Как отмечалось в работе Б.Н. Зверева [42]. в настоящее время идет активное внедрение информационных технологий в путевом хозяйстве. В частности, разработаны и внедрены программные средства ведения технического паспорта дистанции пути в электронном виде – рельсо-шпало-балластные карты (РШБК). Также разрабатываются аппаратно-программные комплексы как для средств диагностики пути – вагоны-путеизмерители (ЦНИИ-2 и ЦНИИ-4), вагоны-дефектоскопы, путеизмерительные и дефектоскопные мот- рисы и тележки, так и для средств путевой механизации, в основном, для управления и автоматизации машин для выправочно-подбивочно- рихтовочных работ. Однако, необходимо отметить, что в силу ряда причин, в основном субъ­ективного характера, практически отсутствует информационная связь этих систем, например, вагоны-путеизмерители лишь выдают ведомость.

состоя­ния пути, но не дают данных по реальному состоянию пути в виде электрон­ной эпюры в базы данных “паспорт пути”. Также, выправочно-подбивочно- рихтовочные машины, для управления рабочими процессами которых в по­следнее время разработано и внедряется много вариантов систем автоматиза­ции, благодаря чему значительная часть парка этих машин уже оснащена средствами информатизации, не используют информацию из электронного паспорта пути и данные путеизмерителей; автоматизированные дефектоско­пы не формируют ведомости дефектных рельсов (ПУ-2 и ПУ-2а). Кроме того, машины со средствами автоматизации выправки и рихтовки могут играть роль своего рода путеизмерителя, записывая данные о том, в каком состоя­нии оставлен путь после работы, а также проводя паспортизацию проводи­мых работ, т.е. вести автоматизированный протокол работы машины для формирования баз данных соответствующих подсистем АСУ путевого хозяй­ства.

Но, несмотря на объективные и субъективные проблемы автоматизации и информатизации путевого хозяйства, да и железнодорожного транспорта в целом, уже сейчас можно говорить о достаточно развитой информационной инфраструктуре отрасли. Следовательно, можно говорить и о прикладных аналитических задачах и автоматизации управления состоянием объектов пу­тевого хозяйства.

Во ВНИИЖТе, в том числе и с участием автора, ведется работа по ак­кумулированию в одной базе данных информации о состоянии бесстыкового пути с различных автоматизированных средств диагностики (вагоны- путеизмерители, дефектоскопы и др.) с целью ее анализа и повышения эф­фективности тех или иных путевых работ.

В настоящей работе рассмотрен вопрос формирования автоматизирован­ной системы управления путевым хозяйством (АСУ ПХ) в части контроля и управления состоянием бесстыкового пути. Этот вопрос рассматривался в рамках темы НИОКР 3.3.01 «Автоматизированная система управления ин­фраструктурой железнодорожного транспорта».

Элемент задачи управления, это – анализ, отвечающий за сравнение по­казателя с нормативом и принятие решения о качественном состоянии объек­та. Однако, для нормального функционирования надо прежде всего выявить необходимые параметры, характеризующие состояние объекта. Кроме того, для принятия решения о качестве состояния объекта, необходимо иметь, во- первых, норматив для сравнения, а во-вторых – методику расчета и сравнения параметров.

Из сказанного выше следует, что для реализации современных принци­пов управления путевым хозяйством на основе анализа и прогноза состояния отрасли и ее объектов с использованием современных информационных тех­нологий необходимы три основных компонента:

  • наличие системы сбора актуальной информации;
  • наличие корректного и обоснованно сформированного комплекса, по­зволяющего однозначно проанализировать и оценить качественное состояние объекта контроля;
  • наличие системы выработки рекомендаций по принятию управляющих решений, позволяющих принять правильные меры по поддержанию работо­способности отрасли с максимальной технической и экономической эффек­тивностью.

Использование современных информационных технологий для управле­ния устойчивостью участков бесстыкового пути на основе автоматизирован­ных оценки и прогнозирования состояния бесстыкового пути обеспечит своевременное предупреждение нарушения устойчивости и минимизацию затрат на текущее содержание пути. Но, в то же время, для информационного обеспечения этой задачи потребуется развитие парка диагностических средств, а также ускорение внедрения на линейных предприятиях путевого хозяйства средств вычислительной техники и средств передачи данных.

Также следует отметить, что применение информационных технологий для задач определения устойчивости бесстыкового пути позволит провести технический мониторинг и моделирование применения бесстыкового пути в тех регионах, где по климатическим особенностям до сих пор его не уклады­вали. Это позволит повысить долю бесстыкового пути как наиболее прогрес­сивной конструкции верхнего строения пути в общем объеме сети железных дорог России.

Совершенствование диагностики особенно актуально, так как в дейст­вующих ТУ заложены достаточные коэффициенты запаса для обеспечения надежной работы бесстыкового пути, но нет методики и технических средств для контроля соблюдения требований и норм этих ТУ.

Обобщенная схема направлений развития диагностики бесстыкового пу­ти представленная на рис. 2.23, отвечает предъявленным выше требованиям. Но реализация ее достаточно сложна, как в техническом, так и в организаци­онном плане. В настоящей работе рассмотрено одно из направлений этой схемы (на рис. 2.23 обозначены затемненными прямоугольниками), а именно – контроль продольно-напряженного состояния рельсовых плетей.

Общая схема развития диагностики бесстыкового пути, изображенная на рис. 2.23 включает в себя следующие разделы:

1. Разработка и внедрение высокоскоростных (на вагоне ЦНИИ-4М) ав­томатизированных диагностических средств (с периодичностью контроля один раз в квартал):

а)  контроль напряженного состояния плетей;

б)  контроль степени прижатия плетей к подкладкам;

в)  контроль очертания балластной призмы;

г)  контроль степени уплотнения и загрязненности балласта;

д)  определение и использование паспортных данных плети;

е)  определение отступлений от норм содержания пути;

ж)  контроль состояния земляного полотна.

  • Разработка и внедрение переносных и смонтированных на дефекто- скопных тележках средств контроля напряженного состояния плетей непо­средственно для дорожных мастеров и начальников участков (с периодично­стью контроля один раз в месяц и/или перед проведением путевых работ и в период всплеска температуры).
    • Разработка и внедрение средств автоматизированного сбора, учета, обработки и анализа состояния бесстыкового пути для различных уровней: участок, дистанция пути, отделение, дорога, сеть. Это позволит четко плани­ровать работы на бесстыковом пути и минимизировать затраты на его теку­щее содержание.
    • Разработка и внедрение автоматизированной системы съема геомет­рических параметров пути относительно реперной сети. Использование ре- перной сети в качестве неподвижных точек для определения смещений пле­тей.
    • Разработка средств (приборов) отбраковки рельсов на РСП перед сваркой в плети (по загрязненности, химическому составу, степени закалки и др.). Отбраковка рельсов при повторном использовании и определение их ос­таточного ресурса. Контроль качества сварных стыков как на РСП, так и в пути.
    • Дефектоскопия плетей в процессе эксплуатации.

В части разработки нормативной базы предусмотрены следующие раз¬делы:

  1. Разработка методики определения (расчета) устойчивости бесстыкового пути против выброса для различных конструкций пути, и условий эксплуатации. Разработка математической модели, алгоритма и программы с учетом воздействий подвижного состава и путевых машин.
  2. Определение критериев оценки каждого фактора, степени его влияния (веса), и взаимодействия факторов. Анализ интенсивности роста влияющих факторов.
  3. Обоснование периодичности диагностирования бесстыкового пути, которая обеспечит его высокую надежность.
  4. Разработка методики планирования работ на бесстыковом пути с це¬лью оптимизации трудозатрат и повышения его надежности.
  5. Разработка организационного механизма, обеспечивающего строгий контроль выполненных работ и автоматизированный ввод результатов в паспорт дистанций пути.

Выводы

Исследование факторов, влияющих на устойчивость бесстыкового пути, по­казало, что наиболее информативными параметрами его состояния являются:

  • нейтральная температура плети;
  • фактическая температура плети;
  • продольные подвижки плети, характеризующие неравномерность распре­деления продольных сил в плети;
  • поперечные подвижки плети, характеризующие свойства балласта.

С учетом технических возможностей имеющихся в настоящее время диагно­стических средств, целесообразно использовать именно эти параметры для кон­троля продольно-напряженного состояния бесстыкового пути.

Для того чтобы получить реальную картину продольно-напряженного со­стояния бесстыкового пути, необходимо обеспечить своевременное внесение в базу данных дистанции пути информации о выполненных работах, связанных с ослаблением устойчивости пути, особенно при работе машин тяжелого типа.

Маячные шпалы, оборудованные в соответствии с техническими указания­ми. можно использовать в качестве неподвижных точек при определении напря­женного состояния плетей. Подвижки плети относительно маячных шпал харак­теризуют не только смещение плети по подкладкам, но и смещение рельсо- шпальной решетки в балласте. Величины этих подвижек сопоставимы (меньше на 1.. .2 мм) с подвижками относительно опор контактной сети. Использование в качестве маячных шпал – шпал с типовыми скреплениями (нанося только метки краской) недопустимо, так как это существенно искажает картину распределения продольных сил по длине плети.

Список литературы

  1. Вериго М. Ф., Крепкогорский С. С. Основные требования к подвижному со¬ставу по воздействию на путь // Тр. ВНИИЖТ. Вып. 248. М.: Трансжелдориздат, 1962. С. 210- 300.
  2. Виногоров Н.П., Контроль по маячным шпалам, Путь и путевое хозяйство, №4, 1990, С. 17-18.
  3. Виногоров Н.П., Зверев Н.Б. Разработка и внедрение новой технологии разрядки температурных напряжений бесстыкового пути и усовершенствование системы контроля за продольными силами в них – Отчет НИР ВНИИЖТ, М., 1985. 56 с.
  4. Виногоров Н. П. Изменение температурного режима бесстыкового пути вследствие угона // Вестник ВНИИЖТ. 1984. № 7. с. 44 -45.
  5. Виногоров Н.П., Савин A.B. Определение напряженного состояния плетей. //Путь и путевое хозяйство. 2001. №4. С. 16-20.
  6. Виногоров Н.П. Экспериментальные исследования устойчивости бесстыкового пути при пропуске длинносоставных поездов // Повышение прочности и надежности пути: Сб. науч. тр. М.: Транспорт. 1989. С. 105-114.
  7. Глаголевский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении – Л., Машиностроение, 1977, 208 с.
  8. Гончаров Н.Р. Определение напряжений в деталях машин посредством тензометров и лаков – Л., МАШГИЗ, 1946, 140 с.
  9. Грищенко В. А. Создание расчетного напряженного состояния в рельсовых плетях бесстыкового пути, укладываемых вне расчетного интервала // Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск: НИИЖТ, 1995. С.29 – 36.
  10. Грищенко В. А.. Коломеев Р. Г. и др. Технические средства для ввода рель¬совых плетей бесстыкового пути в расчетный режим эксплуатации // Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск: НИИЖТ. 1990. С. 11 – 18.
  11. Ершков О. П., Митин Н. Ф. Динамические опенки отступлений в содержании железнодорожного пути и дальнейшее их совершенствование. ЦНТО МПС. М.: Транспорт, 1989.45 с.
  12. Ершов В.В., Новакович В.И. Сопротивление железобетонных шпал поперечным оси пути перемещениям с учетом воздействия поездов / труды ДИИТа. 1981. Вып. 215/23. С. 18-25.
  13. Ершов В.В., Нефедов A.A. Температурные эквиваленты неисправностей бесстыкового пути // путь и путевое хозяйство. 1995. № U.C. 12-14.
  14. К. Красивая Магнитный метод измерения остаточных напряжений // Железные дороги мира, №1, 1990. С.55-57.
  15. Зверев Н.Б. Управление надежностью бесстыкового пути. // Путь и путевое хозяйство, №11, 1998, С. 8-12.
  16. Зверев Б.Н. Методы и технические средства измерения продольных усилий в бесстыковых рельсовых плетях. // Ж.д. транспорт. Сер. “Путь и путевое хозяйство”: ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС. 1999. Вып. 1-2. С. 29-50.
  17. Зверев Б.Н. Информационные технологии в управлении устойчивостью уча¬стков бесстыкового пути // Ж.д. транспорт. Сер. “Путь и путевое хозяйство”: ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС. 1999. Вып. 1-2. С.51-59.
  18. Зверев Н.Б. Устойчивость бесстыкового пути при «несимметричном» нагреве рельсовых нитей // Совершенствование конструкции и эксплуатация бесстыкового пути: Сб. науч. тр. М.: Транспорт. 1988. С.30-39.
  19. Зензинов Б. Н. Измерение кривизны рельсовых плетей инерционным устройством // Вестник ВНИИЖТ. 1981.№ 1. С. 52-56.
  20. Игнятич Д. Определение критической силы, деформирующей бесстыковой путь// Вестник ВНИИЖТ. 1965. № 8. С. 7 – 11.
  21. Испытания опытных образцов приборов для определения продольно- напряженного состояния бесстыкового пути – Отчет о НИР ВНИИЖТ, М., 1996. Питеев Н.И., Виногоров Н.П. 52 с.
  22. Исследование устойчивости бесстыкового пути в прямых и кривых участках на стенде. Рекомендации расчетных критических сил для различных типов
    бесстыкового пути в зависимости от плана пути. Бромберг Е.М. – Отчет о НИР ВНИИЖТ МПС. Архив ВНИИЖТ И-209-64 p.l. М., 1964, 178 с.
  23. Исследование устойчивости бесстыкового пути в прямых и кривых участках пути на стенде. Рекомендации расчетных критических сил для бесстыкового пути в зависимости от плана линии. Бромберг Е.М. Отчет о НИР ВНИИЖТ МПС Архив ВНИИЖТ И-209-64 р.2.. М., 1968. 177 с.
  24. Исследование устойчивости бесстыкового пути под поездом при отступлениях от норм его содержания в плане с разработкой дополнений в действующие ТУ. Бромберг Е.М. Отчет по НИР ВНИИЖТ МПС (заключительный). Тема И600-П-84, разд. 4. Архив ВНИИЖТ, № 27996. 1987. 61 с.
  25. Киш А., Дж. Самаведам Измерение продольных сил в рельсовых плетях Железные дороги мира №5, 1989, с.58-62, AREA Bulletin, 1987, № 712, p. 280—301.
  26. Коган А. Я. Продольные силы в железнодорожном пути //Тр. ВНИИЖТ. Вып. 332. М.: Транспорт, 1967. 166с.
  27. Коган А. Я., Грищенко В. А. Нелинейная устойчивость бесстыкового пути в прямых участках при наихудших формах ненапряженной начальной неровности // Вестник ВНИИЖТ. 1993. № 3. С. 20-45.
  28. Коган А. Я.,Вериго М. Ф. Еще раз о целесообразности применения теории ползучести в расчетах устойчивости бесстыкового пути// Вестник ВНИИЖТ. 1999. №5. С. 12—17.