Разработка и выбор перспективного варианта облегченной конструкции пути

Оглавление

Toggle

Цикл статей:
Глава 1 – Выбор конструкции верхнего строения пути для железнодорожных линий в условиях малой интенсивности перевозочного процесса

Глава 2 – Разработка и выбор перспективного варианта облегченной конструкции пути

Глава 3 – Моделирование взаимодействия пути и подвижного состава при его обращении по облегченной конструкции

Глава 4 – Технико-экономический анализ работы облегченной конструкции пути

Методика обоснования

Методика обоснования основана на известном факте, что путь высокого качества накапливает повреждения медленнее, чем путь низкого качества. Таким образом, снижение качества пути зависит от его исходного качества [52, 53, 54].

Основными критериями обоснования и выбора конструкции пути являются обеспечение безопасности движения при его эксплуатации, а также расчетная стоимость содержания пути. Критерием оценки соответствия конструкции пути требованиям безопасности является непревышение напряжений в элементах пути установленных предельных значений [55]. Затраты на содержание оцениваются на основе определения коэффициента изменения затрат на его содержание (к_т ) по сравнению с типовой конструкцией пути [40].

В диссертационной работе напряжения в элементах верхнего строения пути определялись в соответствии с Методикой оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности [55].

Максимальные напряжения в элементах верхнего строения пути определялись по формулам:

– в кромках подошвы рельса

Определение модуля упругости пути со шпалами BF70
и скреплениями Pandrol Fastlip

«Модуль упругости подрельсового основания железнодорожного пути
определяется по формуле» [55]:

В свою очередь прогиб рельсовой нити от заданных нагрузок определяется экспериментальным путем с применением мобильных диагностических комплексов. В настоящее время эксплуатируется два типа таких нагрузочных комплексов СПМ- 18 и СМ-460 [56], кроме того существуют нагрузочные устройства ВНИИЖТа [57] и ДИИТа [58]. В работе [59] приведена методика определения упругих характеристик подрельсового основания безбалластного железнодорожного пути экспериментальным путем через кромочные напряжения подошвы рельса.

Кроме того, учеными предложены «расчетные методы определения модуля упругости подрельсового основания» [60-64]. Особый интерес представляет «методика определения модуля упругости подрельсового основания» железнодорожного пути методом конечных элементов, предложенная учеными СамГУПСа [64]. Методика [64] дает возможность определить модуль упругости подрельсового основания при различных параметрах балластного слоя с использованием различных видов промежуточных рельсовых скреплений, а также учесть характеристики земляного полотна. В данной работе модуль упругости пути со шпалами ВГ70 и скреплениями Рапдго1 ГазШр будем определять по методике [64].

На рисунке 2.1 представлена трехмерная модель железнодорожного участка, которая была выполнена в соответствии с данными эксплуатируемого участка, на котором уложены шпалы ВГ70 со скреплениями Pandrol Fastlip, что дает возможность решить поставленную задачу.

На основе трехмерных моделей спроектированы конечно-элементные модели мощностью более 1 млн узлов в программном комплексе Femap with NX Nastran. Femap with NX Nastran имеет достаточно широкие возможности для создания геометрической и конечно-элементной модели самых разнообразных конструкций и позволяет выполнять практически любые виды анализа. Конечно­элементная модель с краевыми условиями и условиями анализа подготавливается в среде Femap. Затем требуемый анализ выполняется в NX Nastran, а результаты
визуализируются и документируются в среде Femap [65, 66]. На рисунке 2.2
показан пример конечно-элементной модели пути со шпалами BF70 и
скреплениями Pandrol Fastlip.

При моделировании взяты следующие исходные данные:

1. усилие, передаваемое от колеса 5, 10 и 15 тонн;
2. прижимное усилие клемм скреплений – нормативное;
3. нагружение происходит в несколько этапов: учет собственного веса элементов пути, затем приложение нагрузки от подвижного состава;
4. учитываются свойства материалов грунта [67-70].

В таблице 2.1 показаны физико-механические характеристики грунта и балластного слоя.

В результате моделирования были получены величины деформации конструкции железнодорожного пути в зависимости от нагрузки подвижного состава. На рисунке 2.3 показан пример контура деформации при осевой нагрузке 30 тонн для конструкции верхнего строения пути со шпалами ВГ70 и скреплениями Pandrol Fastlip

В соответствии с результатами моделирования рассчитан модуль упругости подрельсового основания, определяемый по формуле (2.3). В таблице 2.2 даны значения полученных средних величин вертикального модуля упругости рельсового основания в зависимости от характеристик земляного полотна и балластного слоя.

Необходимо отметить полное совпадение полученных значений модулей упругости подрельсового основания и параметров «методики оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности» [55].

Расчеты напряженно-деформированного состояния конструкций пути и
оценка изменения интенсивности расстройств пути

Напряжения определялись для следующих типов подвижного состава:

• Пассажирский вагон (тип ЦВМ, для скорости 120 км/ч);
• Грузовой вагон (четырехосный на тележках ЦНИИ-Х3, 23,5 т/ось, для скорости 80 км/ч);
• Пассажирский локомотив (серия 2ТЭ10, для скорости 120 км/ч);
• Грузовой локомотив (серия 2ТЭ10М, для скорости 80 км/ч).

Расчеты были выполнены для прямого участка пути и кривой радиусом 300 м.

Основные расчетные характеристики воздействия на путь для вышеперечисленных подвижных единиц в соответствии с [55] приведены в таблице 2.4.

Анализ таблиц 2.5-2.12 показывает, что полученные напряжения во всех элементах по всем конструкциям не превышают допустимых при обращении всех типов подвижного состава, что свидетельствует о гарантированной безопасности при эксплуатации этих конструкций. По значениям приведенных напряжений были рассчитаны коэффициенты изменения интенсивности расстройства элемента пути по формуле (1.2). Результаты расчета представлены в таблице 2.13.

По данным таблицы 2.13 построена гистограмма распределения коэффициента оценки изменения интенсивности расстройства элемента пути, рисунки 2.4 и 2.5.

Наихудшие показатели по коэффициентам изменения интенсивности расстройства в элементах наблюдаются в конструкции пути варианта №7, так как интенсивность расстройства в рельсах увеличивается на 31%, а расстройства на основной площадке земляного полотна увеличиваются на 44% по сравнению с типовой конструкцией.

Анализируя результаты расчета, полученные для кривого участка пути, можно сказать, что максимальные значения коэффициента расстройства по рельсам и основной площадке получены для варианта №7, эти значения соответственно равны 1,39 и 1,58. По сравнению со значениями, полученными для прямого участка пути того же варианта, разница по рельсам составила 6% а по основной площадке земляного полотна 10%. Разница между коэффициентами расстройств для кривого и прямого участка по шпалам и балласту того же варианта не превышает 4%.

В качестве облегченной конструкции для укладки в путь можно рекомендовать конструкцию варианта №2. Этот вариант облегченного верхнего строения пути обеспечивает все требования безопасности по критерию непревышения допустимых напряжений и оказывает наименьшее воздействие на основную площадку земляного полотна по сравнению с типовым исполнением.

Для принятия окончательного решения о применении данной конструкции на действующих путях АО «УТЙ» необходимо провести расчеты по устойчивости конструкции бесстыкового пути.

Расчеты прочности и устойчивости
конструкции бесстыкового пути

Возможность укладки бесстыкового пути в конкретных условиях устанавливается сравнением допускаемой температурной амплитуды [Т] для данных условий с фактически наблюдавшейся в данной местности амплитудой колебаний температуры ТА [72, 73].

Если ТА < [ Т], то бесстыковой путь можно укладывать.

Амплитуда допускаемых изменений температур рельсов:

Значения допускаемой расчетной амплитуды рельсовой плети представлены в таблицах 2.15-2.22.

Допускаемая температурная амплитуда рельсов, рассчитанная по значениям приведенных напряжений для каждого варианта, представлена в таблице 2.23.

Не имея конкретных данных по региону, в котором планируется укладка, примем ТА =108 °С [75], как максимальную температурную амплитуду на всей сети железных дорог Узбекистана.

Как видно из расчетов устойчивости, при радиусе кривых 350 м конструкции пути с вариантами № 3, № 6 и № 7 не целесообразно применять, так как допускаемые изменения температуры меньше, чем амплитуда колебаний температуры рельсов.

Как показали расчеты, безопасно эксплуатировать путь в кривых радиусом 350 м с типовой конструкцией и с конструкцией вариантов №1, №2, №4 и №5, при укладке тех же конструкций пути в кривых радиусом 300 м, на период действия пониженных температур, необходимо ограничивать скорости движения поездов, чтобы не допустить излома рельсов.

Выводы

Список литературы

34. Виногоров, Н.П. Устойчивость бесстыкового пути / Н.П. Виногоров // Путь и путевое хозяйство. – 2005. – № 7, 8. – С. 7-13; 20-25.
35. Овчинников, Д.В., Аспекты проектирования и расчета и расчета железнодорожного пути, предназначенного для выделенных пассажирских линий / К.А. Кульгин // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2021. Т.80. №6. С. 351 – 358.
36. Испытания шпал уменьшенной толщины / Железные дороги мира. – 2014. №10. – С. 73-75.
37. Суслов, О. А. Технико-экономический анализ облегченных конструкций верхнего строения железнодорожного пути / О. А. Суслов, А. Е. Токарева, А. А. Баляева // Особенности системы ведения рельсового хозяйства на российских железных дорогах: сборник трудов ученых АО “ВНИИЖТ” (АО “Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта”). – Москва : ООО “РАС”, 2017. – С. 75-86.
38. Экономика путевого хозяйства: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / В.Я. Шульга, В.И. Ангелейко, А.А. Комаров и др. Под ред. В.Я. Шульги. – М.: Транспорт, 1988. – 303 с.
39. Методические рекомендации по определение экономического эффекта в путевом хозяйстве при внедрении ресурсосберегающие технологии содержания и ремонта пути / Утв. МПС №А-105у от 03.02.1995 г. // Путь и путевое хозяйство. – 1995. – №6. – С. 6-10.
40. Гогричиани, Г.В. Объективное определение по результатам сравнений (испытаний) перспективного объекта при неограниченном множестве рассматриваемых противоречивых критериев / Г.В. Гогричиани // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. – 2006. – № 6. – С. 14-15.
41. Измайкова, А.В. Экономическая оценка перспективных инновационных проектов в сфере железнодорожного транспорта / А.В. Измайкова // Экономика железных дорог. – 2015. – № 12. – С. 44-54.
42. Оценка экономической эффективности инвестиций и инноваций на железнодорожном транспорте: Учебное пособие / Б.А. Волков [и др.]; под ред. Б.А. Волкова. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. – 152 с.
43. Терешина, Н.П. Управление инновациями на железнодорожном транспорте / Н.П. Терешина, В.А. Подсорин. – Москва: ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2020. – 544 с. – I8В^ 978-5-907206-36-6
44. Савин, А.В. Условия применения безбалластного пути: дисс. докт. тех. наук. / Савин Александр Владимирович. – М., 2017. 444 с.
45. Бельтюков, В. П. Оптимизация системы содержания верхнего строения железнодорожного пути / В. П. Бельтюков // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2016. – № 2. – С. 112-120. – Е1Ж ^ЕН.ШР.
46. Затраты жизненного цикла в стратегии управления активами / Железные дороги мира. – 2015. – №5. – С. 64-69.
47. Суслов, О.А. Перспективные подходы к прогнозному моделированию деградационных процессов элементов верхнего строения пути и их применение при создании цифровых двойников / О.А. Суслов, В.И. Федорова // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. – 2021. – Т. 80. – № 5. – С. 251-259. – ^ОI 10.21780/2223-9731-2021-80-5-251-259.
48. Суслов, О.А. Цифровые двойники – перспективная основа планирования технического обслуживания железнодорожного пути / О.А. Суслов, В.И. Федорова // Наука 1520 ВНИИЖТ: Загляни за горизонт. – 2021. – С. 184-192.
49. Обобщение мирового опыта тяжеловесного движения. Конструкция и содержание железнодорожной инфраструктуры / пер. с англ. под ред. С.М. Захарова. – М.: Интекст, 2012 – 568 с.
50. ЦПТ-52/14. Методика оценки взаимодействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности: утв. МПС России 15.06.2000 г. М., 38 с.
51. Ашпиз, Е.С. Обоснование нормативов деформативности подрельсового и подшпального оснований / Е.С. Ашпиз, А.В. Замуховский // Мир транспорта. – 2012. – Т. 10. – № 5(43). – С. 112-119.
52. Левинзон, М.А., Определение области применения метода измерения упругой осадки под грузовым вагоном / Крылов В.Л., С.В. Привалов // Вопросы работы железнодорожного транспорта в условиях реформирования, Сб. науч. тр. ВНИИЖТ – М.: Интекс, 2001 г, с.133-136.
53. Татуревич, А.П. Результаты определения фактических значений жесткости пути для исследований взаимодействия пути и подвижного состава / А.П. Татуревич // В^ник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал^зничного транспорту ^м. академика В. Лазаряна. – 2003. – № 2. – С. 95-100.
54. Колос, А.Ф. Упругие характеристики подрельсового основания безбалластного железнодорожного пути / А.Ф. Колос, Иванова К.И. // Известия Петербургского университета путей сообщения. – СПб.: ПГУПС, 2021. – Т. 18. – Выл. 4. – С. 469-479. ^ОI: 10.20295/1815-588Х-2021-4-469-479
55. Рекомендации по единой методике определения вертикальной жесткости и вертикального модуля упругости пути и установления их рациональных значений. Р742/1. Памятка ОСЖД. – Варшава. 2003. – 11 с.
56. Курган, Д.Н. К решению задач расчета пути на прочность с учетом неравноупругости подрельсового основания / Д.Н. Курган // Наука та прогресс транспорту. – 2015. – № 1(55). – С. 90-99.
57. Даниленко, Э.И. Расчет характеристик жесткости и упругости рельсовой нити при кручении под воздействием вертикальных и горизонтальных сил / Э.И. Даниленко // Наука та прогресс транспорту. – 2016. – № 5(65). – С. 79-91.
58. Алтынников, Д.С. Расчёт упругих характеристик железнодорожного пути / Д.С. Алтынников, Д.А. Ковенькин // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. – 2018. – Т. 1. – С. 471-475.
59. Овчинников, Д.В. Определение модуля упругости подрельсового основания железнодорожного пути методом конечных элементов / Д.В. Овчинников, В.А. Покацкий, Д.И. Галлямов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. – 2019. – Т. 1. – С. 585-591.
60. Рычков, С.П. Моделирование конструкций в среде Гетар \’И11 ^X №^1гап. – М.: ДМК Пресс, 2016. – 784 с.