Выбор типа промежуточных рельсовых скреплений – вибродиагностика

Введение

В настоящее время в соответствии со стратегией развития железнодорожного транспорта Республики Казахстан до 2030 г. запланировано возведение дополнительных и реконструкция эксплуатируемых железнодорожных магистралей, а также существующей инфраструктуры. Важным направлением данной стратегии является возможность внедрения на сети железных дорог скоростного и высокоскоростного движения подвижного состава. Возможность реализации скоростного и высокоскоростного движения на железнодорожных магистралях Республики Казахстан взаимосвязана с необходимым уровнем надежности верхнего строения пути (далее ВСП), как конструкции, значительно влияющей на уровень безопасности движения подвижного состава по железным дорогам.

Актуальность темы исследования

Механические колебания (вибрация), возникающие в элементах железнодорожного пути (рельсах, шпалах, рельсовых скреплениях и т.д.) при прохождении поездной нагрузки, в значительной мере влияют на прочность, а, следовательно, и на долговечность работы как самих элементов, так и железнодорожного пути в целом.

Многочисленные методы оценки состояния железнодорожного пути, применяемые в развитых странах, базируются на необходимости выявления параметров, отражающих потери энергии воздействия в конструкции пути в целом и ее элементах в отдельности.

Возможность применения динамических методов оценки состояния железнодорожного пути, ограничивается как высокой сложностью теоретических представлений о его поведении в динамике, так и удовлетворенностью путевых подразделений объемом получаемой информации.

Вибрация, возникающая в пути и его элементах, при проходе подвижного состава, это суперпозиция свободных и вынужденных механических колебаний. Трудами отечественных и зарубежных специалистов установлено, что вибрация элементов верхнего строения пути происходит в широком диапазоне от единиц и десятков до сотен и тысяч герц. Однако влияние вибрации на путь и зависимость ее в свою очередь от конструкции пути, изучены недостаточно полно, что вызывает противоречия между специалистами в данном вопросе. Например, в Германии считают вибрацию высокой частоты причиной волнообразного износа поверхности катания рельсов, тогда как во Франции причиной считают строение стали. Имеются и другие противоречия.

Неблагоприятное влияние вибрации сказывается и на сопротивляемости пути поездным нагрузкам в продольном и поперечном направлениях (угон пути, изменение положения в плане и профиле), а также на стабильности и прочности соединений промежуточных и стыковых рельсовых скреплений

Общеизвестно, что при одинаковых по форме и размерам неровностях, на жестком пути динамические силы основного фона взаимодействия колеса и рельса значительно выше, чем на упругом. Это обстоятельство отрицательно проявляется на стойкости рельсов. Опыт эксплуатации показывает, что при железобетонных шпалах выход рельсов по стыковым дефектам возрос в два-три раза по сравнению с выходом на деревянных шпалах. Наблюдается более интенсивное образование волнообразного износа рельсов.

Для более полной реализации преимуществ железобетонных шпал и максимального уменьшения, указанных выше недостатков, научные исследования и практические меры необходимо проводить по двум направлениям:

Во-первых, необходимо всеми возможными способами предупреждать образование неровностей на колесах подвижного состава и на рельсах или своевременно устранять их во избежание действия возмущающих сил, порождающих вредные вибрации.

Во-вторых, необходимо создавать такие промежуточные рельсовые скрепления (далее ПРС), которые изолировали бы в достаточной степени шпалы, балласт и земляное полотно от вредных вибраций. Такие скрепления уменьшали бы уровень динамического воздействия колес подвижного состава на путь с железобетонными шпалами, а также интенсивность остаточных осадок пути при имеющихся эксплуатационных неровностях на рельсах и колесах.

Из вышеизложенного вытекает актуальность работы, и необходимость дальнейшего развития исследований влияния вибрации, возникающей в элементах пути при прохождении поездной нагрузки, на долговечность работы, как самих элементов, так и железнодорожного пути в целом.

Степень разработанности темы исследования

В настоящее время существует необходимость создания методики вибродиагностики, дающей возможность производить экспресс-анализ состояния ВСП на участках с различными типами ПРС по динамическим параметрам, и позволяющей принимать наиболее оптимальные решения при планировании работ по ремонту пути и его текущему содержанию с учетом воздействия обращающегося подвижного состава.

Необходимсть решения следующих задач:

• выбрать средства измерения и программное обеспечение для анализа отклика элементов конструкции железнодорожного пути при вибродинамических воздействиях подвижного состава, доказать их приемлемость для проведения исследования;
• разработать методику проведения вибродиагностики ВСП, позволяющую производить сравнение отклика конструкций пути с различными типами ПРС на воздействие подвижной нагрузки;
• по разработанной методике выполнить натурные экспериментальные исследования при известной осевой нагрузке от подвижного состава и его скорости, с целью выявления параметров вибрации, наиболее адекватно отражающих вибродинамические процессы в элементах ВСП;
• произвести сравнение отклика элементов ВСП с различными типами ПРС на вибродинамическое воздействие и разработать методику экспресс- анализа, позволяющую осуществлять выбор наиболее оптимальной конструкции ПРС для данного участка.

Методология и методы исследования

Решение поставленных задач осуществлялось проведением натурных экспериментов с использованием сертифицированных средств измерений и программных продуктов. В работе использован общесистемный метод исследования, базирующийся на анализе выполненных научно-исследовательских работ по данной темтике в СНГ и странах дальнего зарубежья, а также использованы классические положения теории колебаний и волн, математической статистики и теории вероятности.

На зищиту выносятся:

• зависимости параметров вибрации элементов ВСП от скорости подвижного состава;
• закономерности связи между параметрами вибрации элементов ВСП и техническим состоянием пути по результатам прохода путеизмерительного вагона (балловой оценкой состояния пути) по участкам пути с различными типами ПРС;
• оценочные критерии выбора ПРС по условиям вибродинамического воздействия нагрузки от подвижного состава;
• методика и результаты вибродиагностики ВСП с различными типами ПРС под поездной нагрузкой.

Экспериментальные и расчетные методы оценки вибродинамического воздействия подвижного состава на путь

Результаты исследований целого ряда ученых и специалистов [1-6] свидетельствют о недостаточности рассмотрения в качестве причин накопления остаточных деформаций пути только лишь напряжений, возникающих в его элементах. В работе [7] П.П. Цуканов обосновал неободимость учета вибрационного характера влияния подвижного состава на балластный слой. Профессор М.Ф. Вериго при создании основных положений расчета железнодорожного пути на прочность в работах [8-19] отмечал в качестве одного из основных факторов, способствующих накоплению остаточных деформаций, воздействие вибрации. В работах [20, 21] В.Ф.

Деформации железнодорожного пути, как следствие вибраций, создаваемых движением подвижного состава

Федулов одной из решающих причин быстрого накопления остаточных осадок, считал вибрацию щебня. Им была предпринята попытка учесть влияние вибраций при сравнении интенсивностей накопления остаточных осадок пути с деревянными и железобетонными шпалами. Однако им рассмотрены лишь свободные колебания, параметры которых определялись расчетным путем. Вибрации щебня в «деятельной» зоне балластной призмы в действующем пути с обоими видами шпал Федуловым В.Ф не измерялись. Роль вибраций заключается в том, что под их воздействием снижается эффективный (кажущийся) коэффициент внутреннего трения щебня. В результате этого облегчается уплотнение балласта (переупаковка щебенок), а также выпирание его в сторону шпальных ящиков и откоса балластной призмы, что приводит к быстрому накоплению остаточных осадок.

В настоящее время, существует мнение многих специалистов-путейцев [22-29], что характер процессов, происходящих в балластном слое при множественном воздействии различных по величинам нагрузок при других равных условиях, вполне четко объясняется теорией Покровского [30, 31], по которой повторные нагружения вызывают постоянное перемещение частиц. После определенного колличества повторений нагрузок, частицы принимают взаимное, наиболее устойчивое положение. При установившейся нагрузке, действительные значения деформаций, на основании данной теории, зависят от начальной плотности. Эта теория достаточно подтверждена экспериментами с многократной загрузкой и разгрузкой грунта в замкнутом объеме. Однако, в реальных условиях она применима лишь при условии полного отсутствия сезонного промерзания и оттаивания грунта.

Однако, следует отметить, что вибрационная составляющая поездного воздействия существенно влияет на земляное полотно, особенно в периоды перенасыщения грунта влагой осенью, промерзания в зимнее время и оттаивания весной. В работе [32] предпринята попытка «установить закономерности распространения величин вибродиномических нагрузок в обычных условиях и при глубоком промерзании-оттаивании грунтов». Разработан аналитический метод определения «прочности и деформируемости земляного полотна в упругопластической стадии его работы с учетом вибродинамического воздействия» [32]. Исследования ВНИИЖТ показали, что при обработке балласта латексами интенсивность накопления остаточных деформаций балластного слоя снижается примерно в 3-4 раза по сравнению с хорошо уплотненным щебеночным балластом [33]. Имеется опыт по укладке железнодорожного пути на асфальтовом основании, которое позволяют свести к минимуму расходы на текущее содержание пути [34]. Однако широкого распространения данные методы не получили, так как их внедрение требует значительных капитальных затрат и представляет проблемы с утилизацией по окончании жизненного цикла.

Автором работы [35] разработана «методика расчета несущей способности слоистого земляного полотна» при использовании слоя закрепленного грунта, в качестве мероприятия, снижающего динамическое воздействие на грунты земляного полотна. Натурные эксперименты выполнены на участке магистральной линии Октябрьской железной дороги. На основе численного анализа изучена несущая способность укрепленного земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку.

Степень вибрационного воздействия на балласт в работе [36] оценивалась по вибрационным ускорениям частиц балласта. Авторы объяснили это тем, что оценку вибрационного воздействия на сыпучую среду, к которой можно отнести и балласт на определенной стадии его работы (когда он не слишком загрязнен) рекомендуется производить по ускорениям [37, 38]. Авторами, была поставлена задача измерить вибрационные ускорения в балласте, возникающие при прохождении колесом одиночной изолированной неровности на рельсе.

Авторы приводят образцы акселерограмм вертикальных и горизонтальных ускорений в балласте при прохождении двухосной тележки четырехосного вагона, и отмечают, что особенностью записи ускорений (и при неровностях на рельсе, и без них) является отсутствие фона, соответствующего приложению весовой составляющей силы давления колес на рельс и силы, обусловленной колебаниями надрессорного строения.

По мнению авторов это свидетельствует о том, что приложение этих сил происходит сравнительно медленно и они не вызывают значительных сил инерции в балласте. Поэтому указанные силы можно считать медленно меняющимися с точки зрения воздействия на балласт, а характер приложения их – близким к статическому (в условиях описываемых опытов). Запись ускорений при отсутствии неровностей не имеет определенной формы, максимум их не всегда совпадает с моментом прохождения колеса над шпалой, около которой установлен акселерометр. Это в особенности относится к ускорениям на пути с деревянными шпалами. По предположению авторов, эти ускорения обусловлены случайными неровностями на колесах.

Авторы отмечают, что на пути с железобетонными шпалами получается более определенная форма записи. С увеличением скорости ускорения при «ровном» рельсе на пути с деревянными и железобетонными шпалами увеличиваются. При этом ускорения на пути с железобетонными шпалами получились больше, чем с деревянными. Они оказались разными под направляющими осями и под осями второй и четвертой. Под направляющими осями (первая и третья оси) при скорости 70 км/ч ускорение оказалось равным 11,5 м/с², а под второй и четвертой осями – 6,7 м/с². По мнению авторов, это различие произошло за счет взаимного наложения колебаний. Приведенные цифры показывают, что ускорения на пути с железобетонными шпалами при отсутствии неровностей в 1,85-3,2 раза превышают ускорения на пути с деревянными шпалами.

При наличии неровностей на поверхности катания рельсов [39] процесс накопления остаточных деформаций рассматривается как процесс влияния вибраций на внедрение шпал в балластное основание (при устойчивом земляном полотне).

Это воздействие слагается из следующих основных сил [40]:

• весовой составляющей вертикального давления колеса на рельс;
• силы, передаваемой рессорой колесу;
• действием на колесо переменных сил, наличием неровностей в пути и на колесах и вилянием экипажа.

При движении экипажа первые две силы можно считать медленно меняющимися. Они не вызывают существенных сил инерции в балластном слое. Силы же, обусловленные неровностями на рельсе, наоборот, приводят к появлению значительных сил инерции, и их нельзя считать медленно меняющимися. Продолжительность действия этих сил зависит от размеров неровностей на пути и колесах. По исследованиям ЦНИИ и ЛИИЖТа большинство неровностей на рельсах имеет длину от 0,15 до 1,2 м. Продолжительность действия сил инерции от неровностей на рельсах будет в несколько раз меньше силы, передаваемой рессорой колесу и возникающей при колебаниях надрессорного строения. При движении экипажа весовая составляющая, а также сила, возникающая за счет колебания рессор и передаваемая на шпалу, будут медленно меняющимися по отношению к вызванным неровностями на рельсах силам инерции неподрессоренных масс. При этом последние являются знакопеременными.

Таким образом, силы, действующие на шпалу при наличии неровностей на рельсах создают условия для вибрационного погружения шпал в балласт. Однако этот процесс имеет место лишь в том случае, когда вибрации, вызванные знакопеременной силой, вызывают изменение эффективного коэффициента внутреннего трения балласта, который во многом определяет устойчивость последнего против накопления остаточных деформаций. Специальные опыты, посвященные влиянию вибраций на эффективный коэффициент внутреннего трения щебня автору данной работы неизвестны. Однако установлено, что подвижность сыпучей среды резко увеличивается под действием вибраций [41, 42]. Это явление используется в различных виброуплотнителях, вибросепараторах, вибрационных грохотах и т.д. Для песка получена зависимость эффективного коэффициента внутреннего трения от ускорения колебаний, эффект от вибраций увеличивается пропорционально диаметру частиц песка.

Влияние вибрации на погружение штампов в щебень показано в опытах В.Ф. Федулова [43].

Японские ученые исследовали влияние вибраций на конструкцию пути не только теоретически, но и опытным путем. В частности, ими при проведении сравнительного технико-экономического анализа для различных конструкций верхнего строения пути был сделан расчет ожидаемых затрат на текущее содержание пути. В расчете [44, 45] использованы следующие параметры: коэффициент подвижной нагрузки, определяемый произведением ожидаемого тоннажа и скорости движения поездов на количественную характеристику подвижного состава, и коэффициент конструкции верхнего строения пути, учитывающий величины динамического воздействия на балласт под шпалой и вибрационные ускорения балласта.

Уменьшение сопротивления сдвигу балласта вдоль пути от воздействия вертикальной вибрации, возникающей при движении подвижного состава, выявлено Э.В. Сикмайером [46].

Известно, что вибрации, возникающие в элементах ВСП при воздействии подвижного состава, являютя суперпозицией наложения свободных и вынужденных механических колебаний [47-52]. Трудами отечественных и зарубежных специалистов установлено, что гамма частот колебаний элементов верхнего строения пути, включает в себя колебания с частотой от десятков до сотен и тысяч герц. Однако влияние вибраций на путь и зависимость их в свою очередь от конструкции пути, изучены недостаточно полно, что вызывает противоречия между специалистами в данном вопросе. Например, в Германии считают вибрацию высокой частоты причиной волнообразного износа поверхности катания рельсов, тогда как во Франции причиной считают строение стали [53]. Имеются и другие противоречия.

Существует мнение, что в промежуточных скреплениях главную роль играет упругая прокладка, обеспечивающая вертикальную жесткость узла «рельс-шпала» [54-60]. Экспериментально установлено, что в диапазоне частот ниже частоты свободных колебаний рельсовых скреплений усилие, приложенное к верхней поверхности упругой прокладки, передается на нижнюю в неизменной форме. В диапазоне же частот, превышающих собственную частоту колебаний скреплений, упругая прокладка уменьшает это усилие и снижает вибрационное перемещение шпалы. При частоте колебаний 550 Гц и выше, передаваемых от рельса на основание, перемещения становятся равными нулю. Нулевое значение перемещения означает, что шпала становится практически неподвижной и исчезает один из факторов, приводящих к расстройству пути [61].

Исходя из теории колебаний, это мнение представляется совершенно бесспорным, так как любой амортизатор является своеобразным поглотителем колебаний, увеличивающим период независимых колебаний конструкции по сравнению с периодом возмущающей силы. Таким образом, уменьшаются динамические перемещения и силы, действующие на опоры.

Рассмотрение вибраций как одной из основных причин накопления остаточных осадок особенно необходимо на пути с железобетонными шпалами. При переходе к железобетонным шпалам удельное давление на балласт несколько увеличилось по сравнению с таковым при деревянных шпалах. Но в еще большей степени изменились условия передачи динамических сил на подшпальное основание.

Величина динамических сил, передаваемых на балласт, при прочих равных условиях, зависит от жесткости связи между балластом и рельсом. Роль такой связи играет шпала с промежуточным скреплением. На железобетонных шпалах жесткость этой связи значительно выше, чем на деревянных. Об этом свидетельствует увеличение модуля упругости пути [62, 63].

Неблагоприятное влияние вибраций сказывается и на сопротивляемости пути поездным нагрузкам в продольном и поперечном направлениях (угон, изменение положения в плане и ширины колеи) [64-67], а также на стабильности и прочности болтовых соединений промежуточных и стыковых рельсовых скреплений [68-71].

Общеизвестно, что при одинаковых по форме и размерам неровностях на жестком пути (железобетонные шпалы) динамические силы основного фона взаимодействия колеса и рельса выше, чем на упругом (деревянные шпалы). Это обстоятельство отрицательно проявляется на стойкости рельсов. Опыт эксплуатации показывает, что при железобетонных шпалах выход рельсов по стыковым дефектам возрос в два-три раза по сравнению с выходом на деревянных шпалах [72]. Наблюдается более интенсивное образование волнообразного износа рельсов.

Для более полной реализации преимуществ железобетонных шпал [73] и максимального уменьшения указанных выше недостатков научные исследования и практические меры необходимо проводить по двум направлениям.

Во-первых, необходимо всеми возможными способами предупреждать образование неровностей на колесах подвижного состава и на рельсах или своевременно устранять их во избежание действия возмущающих сил, порождающих вредные вибрации. К числу мероприятий в этом направлении относятся: повсеместное внедрение бесстыкового пути, шлифование рельсов с волнообразным износом и всякими другими видами неровностей и ужесточение технических требований в отношении размеров допускаемых неровностей на поверхности катания рельсов и колес, а также усиление контроля за их состоянием.

Во-вторых, необходимо создать такие промежуточные скрепления, которые изолировали бы в достаточной степени шпалы, балласт и земляное полотно от вредных вибраций. Такие скрепления уменьшали бы уровень динамического воздействия колес подвижного состава на путь с железобетонными шпалами, а также интенсивность остаточных осадок пути при имеющихся эксплуатационных неровностях на рельсах и колесах до уровня при деревянных шпалах.

В настоящее время на магистральных путях АО «НК «Казахстан Темир Жолы» используются следующие типы промежуточных рельсовых скреплений (таблица 1.1):

Основные аспекты теории взаимодействия пути и подвижного состава

При расчетах железнодорожного пути до последнего времени применяется известная гипотеза акад. Н.П. Петрова, предполагающая идентичность формы упругой линии изгиба рельса при воздействии, как статической, так и динамической нагрузок. На основе этого предположения был решен ряд задач по взаимодействию подвижного состава и пути. Определенное уточнение данной гипотезы было сделано Г.М. Шахунянцем [74], состояло оно в том, что упругая линия изгиба балки, колеблющейся от произвольной динамической нагрузки, в любой момент времени соответствует форме, возникающей при воздействии движущейся постоянной нагрузки, численно равной значению динамической нагрузки, взятой на тот же момент времени.

Вопросу движения груза по балке посвящен ряд работ. Важнейшими из них являются: исследования Стокса для случая, когда не учитывается масса балки, но учитывается масса движущегося груза; работа А. Н. Крылова [75], где учтен вес балки, вибрирующей при воздействии безынерционных постоянных сил; работа С. П. Тимошенко [76], посвященная колебанию балки с распределенной массой на упругом основании под действием постоянной силы. Для случая движения постоянного груза, обладающего массой, по балке с распределенной массой решение дано в работе Schallenkamp [77]. Наконец, в работе I. Dörr [78] исследовано движение постоянных безынерционных сил на балку с распределенными массой и демпфированием.

Решение задачи движущейся периодической силы было получено А. Я. Коганом [80]. Решения приведены в форме частотных характеристик и импульсных переходных функций. В качестве возмущений приняты основные факторы, влияющие на величины динамических сил на контактах колес и рельсов при прохождении экипажа по пути, в том числе неровности на пути и колесах экипажа, выбоины на поверхности катания рельсов, люфты между рельсом и подрельсовым основанием. Однако, методы излагаемые в работе [80], приводят к дольно трудоемким расчетам, поэтому методика не получила широкого распространения.

Для современных конструкций пути, имеющих упругие элементы между рельсом и подкладкой и между подкладкой и шпалой, вертикальная силовая система должна быть представлена еще более полно. При решении конкретных задач схема может быть несколько упрощена в зависимости от вида возмущающих факторов и целей исследования [81-83].

Однако основным затруднением при решении одиночной вертикальной силовой системы является не степень детализации, а наличие в ней нелинейных односторонних связей и переменных во времени масс. Попытка учета этих особенностей расчетной схемы была произведена в работе [84]. До этого времени в расчетах пути принимались так называемые приведенные массы колеса и пути, которые являются условными коэффициентами пропорциональности, имеющими размерность массы.

Авторами [85] в эксплуатационных условиях выполнены экспериментальные работы по определению основных параметров рельсошпальной решетки (приведенной массы пути, коэффициента вязкого трения и жесткости рельсовых нитей), а затем одним из авторов предпринята попытка определить массы колеса и рельса, участвующие в соударении. Фактически процесс взаимодействия колеса и рельса является сложным и включает множество гармоник колебаний, поэтому при одной приведенной (постоянной) массе пути невозможно исследовать процесс взаимодействия даже в пределах одной неровности. Приведенная масса пути может относиться лишь к определенному моменту времени взаимодействия (или определенному сечению), а также будет зависеть от условий взаимодействия – скорости экипажа, вида возмущающего фактора, направления движения, предыстории момента взаимодействия и др. Введение переменных масс позволяет более точно исследовать динамические факторы в течение всего периода взаимодействия. Экспериментальные и теоретические исследования, выполненные В.Ф. Яковлевым [86-89], внесли значительный вклад в развитие теории о взаимодействии экипажа и пути, и позволили сделать ряд весьма существенных для путейцев-расчетчиков выводов, а именно:

• введение односторонних связей в контактной пружине и основании пути вносит принципиальное уточнение расчетной схемы и позволяет исследовать происходящие явления с учетом возможных отрывов колеса от рельса. Введение переменных масс вносит существенные уточнения в величины динамических эффектов. При постоянных массах расчетные величины получаются завышенными в 1,12-1,73 раза;
• анализ расчетных значений динамических эффектов (сил и ускорений), появляющихся при перекатывании колес по геометрическим неровностям рельсовых путей, позволяет подразделить их по уровню сил и ускорений на 2 составляющие: с повышенным уровнем вибродинамических эффектов, к которым, прежде всего, относятся стыковые неровности и неровности в крестовинах, и с низким уровнем динамических эффектов, к которым относятся неровности типа плавного волнообразного износа рельсов, впадины и горбы в местах сварки бесстыкового пути, плавные неровности в стрелках и др.
• процесс взаимодействия колеса и рельса на неровностях первой группы характеризуется ударным изменением сил в пределах неровности, отрывами колеса от поверхности катания рельса, интенсивным увеличением динамических эффектов при увеличении скорости, а также значительным влиянием расчетных параметров на уровень сил взаимодействия. При движении колеса по неровностям второй группы во всем диапазоне исследованных скоростей (90-240 км/ч), как правило, наблюдается безотрывное движение колеса и сравнительно плавное изменение сил взаимодействия. На неровностях первой группы при увеличении скорости движения наблюдается относительно большой рост сил в контактной зоне, а на неровностях второй группы – на элементах буксового узла;
• силы взаимодействия в отдельных элементах системы не совпадают по фазе. Динамическое давление на шейку оси колесной пары отстает во времени от сил, действующих в контакте колеса и рельса.
• для большинства неровностей с увеличением скорости движения нагрузки, динамические силы увеличиваются, однако для некоторых неровностей в исследованном диапазоне скоростей однозначная зависимость сил от скорости движения не наблюдается. Ряд стыковых неровностей, неровностей в стрелке и крестовине вызывают увеличение колебания системы. Критические скорости на различных неровностях неодинаковы (изменяются в широком диапазоне). Одна и та же неровность может вызывать резонансные явления при движении нагрузки в одном направлении и не вызывать их при движении в другом направлении;
• масса пути, участвующая во взаимодействии системы «колесо-рельс» в наибольшем интервале изменяется на неровностях типа впадин в крестовинах. На этих неровностях диапазон изменения массы пути составляет 0,21-1,80 кг с /см. В наименьшем интервале масса пути изменяется на стыковых неровностях (0,33-0,67 кгс²/см);
• в процессе движения колес, имеющих такие неровности, с большими скоростями наблюдаются продолжительные отрывы их от поверхности рельса. На этих участках, учитывая полную разгрузку, колесо весьма неустойчиво на вкатывание гребня на рельс. Это подтверждает настоятельную необходимость введения систематического контроля равномерности проката колес подвижного состава.

Однако силы взаимодействия и ускорения элементов пути и подвижного состава зависят не только от геометрических параметров неровностей, скорости и направления движения подвижного состава.

В работе [90] рассматривалось влияние некоторых расчетных характеристик элементов пути и колес (жесткости шейки рельса, контактной жесткости, массы пути, жесткости основания рельсовой нити, коэффициента вязкого трения, жесткости диска колеса) на динамические силы контактного взаимодействия рельса и колеса. Исследование влияния основных расчетных характеристик пути и подвижного состава на уровень динамических эффектов взаимодействия колеса и рельса в пределах геометрических неровностей рельсовых нитей и колес подвижного состава позволило В.Ф Яковлеву, в дополнение к вышеизложенным, сделать следующие выводы:

• уровень сил взаимодействия и ускорений расчетной системы «колесо- рельс» зависит не только от геометрических характеристик неровностей (возмущающих факторов), но в существенной степени предопределяется величиной и соотношением основных расчетных параметров: упруго- динамических характеристик рельсовых нитей и динамико-кинематических характеристик подвижного состава. Соотношения жесткостей упругих связей, масс элементов системы и коэффициентов трения в элементах связей изменяют частоты собственных колебаний системы, декремент затухания и влияют на величины сил и ускорений;
• изменение жесткости пути в пределах, соответствующих ее значениям на обычном пути со шпальным и монолитным подрельсовым основанием, приводит к увеличению динамических сил в контакте колеса и рельса и изменению расположения и протяженности зон отрывов колеса от рельса. При изменении расчетных значений жесткости пути в зависимости от переменной массы основания уровень сил взаимодействия повышается на 10-27 %, а длина зон отрыва на 14-200 %. Зависимость сил взаимодействия от величины жесткости пути является нелинейной. С увеличением жесткости интенсивность ее влияния уменьшается. Влияние этого параметра зависит также от скорости движения нагрузки и вида неровностей. В связи с влиянием жесткости пути на частотные характеристики системы при отдельных значениях жесткости пути появляются резонансные явления, приводящие к значительному повышению сил взаимодействия. Следовательно, критические скорости зависят не только от размеров геометрической неровности, как это принимается во многих исследованиях, но и от расчетных характеристик системы «колесо-рельс»;
• повышение жесткости шейки рельса с 5 10⁵ до 15 10⁵ кг/см вызывает увеличение сил взаимодействия в контакте на 30-80 % и удлинение зон отрыва колеса от рельса на 10-35 %. Наиболее интенсивно влияет жесткость шейки рельса в пределах неровностей с высоким уровнем динамических сил (стыковая впадина, впадина в сильно изношенной крестовине и т.п.). Для неровностей такого типа величина сил в контакте почти линейно зависит от жесткости шейки рельса;
• контактная жесткость колеса и рельса, является параметром, наиболее существенно влияющим на уровень сил взаимодействия колеса и рельса. Повышение контактной жесткости в четыре раза приводит к увеличению сил взаимодействия в 1,20-2,25 раза. При наибольшем из рассмотренных значений контактной жесткости зоны отрыва колеса от рельса достигали 20-22 см в крестовине и 15-17 см – в стыках. Интенсивность влияния контактной жесткости зависит от вида неровности и скорости движения колеса. С увеличение скорости движения повышается относительное влияние контактной жесткости колеса и рельса при увеличении абсолютных значений сил.
• изменение приведенной массы пути, участвующей во взаимодействии элементов системы, в пределах от 0,5-2,0 кг с /см для статического равновесия вызывает эффект, аналогичный изменению жесткостей упругих связей. С увеличением массы пути возрастают силы взаимодействия и длины зон отрыва колеса от рельса. В отличие от рассмотренных выше параметров влияние приведенной массы пути в большей степени сказывается на плавных неровностях. Наиболее интенсивно изменяются силы не в контакте, а силы, действующие на шейку оси колесной пары. Последние при массе верхнего строения пути равной 2,0 кгс²/см достигают 25-27 т;
• изменение величины коэффициента вязкого трения в основании пути в пределах 400-800 кгс/см не оказывает существенного влияния на уровень сил в контакте. В большинстве неровностей наблюдается незначительное увеличение сил (на 2-5 %) с ростом коэффициента вязкого трения в основании пути от 400 до 800 кг с/см. Как следует из анализа значений упругих перемещений элементов верхнего строения пути, этот параметр оказывает влияние главным образом на величину сил, действующих на основание. Эти силы, при увеличении коэффициента вязкого трения в основании пути в два раза, уменьшаются на 30-50 %. Кроме того изменение коэффициента вязкого трения приводит к изменению декремента затухания сил в контакте. Процесс затухания амплитуд затухания сил, при увеличении коэффициента вязкого трения в основании пути, идет более интенсивно, что вызывает уменьшение средневзвешенных значений этих сил и является положительным. Последнее обстоятельство говорит о том, что при подборе размера и материалов для упругих прокладок кроме жесткости необходимо учитывать их демпфирующие свойства;
• изменение жесткости диска колеса в пределах (6-24) 10⁶ кг/см увеличивает силы в контакте. В случае большой жесткости диска колеса увеличивается и зона отрывов его от рельса. Учитывая сравнительно большое влияние жесткости диска колеса на уровень сил взаимодействия, необходимо проводить конструктивные мероприятия по ее снижению, в частности, за счет введения упругих элементов.

В настоящие время в Республике Казахстан используется «Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности» [91], утвержденная в Департаменте пути и сооружений МПС России и, разработанная во Всероссийском научно-исследовательскоом институте железнодорожного транспорта. Основу методики составили «Правила производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность» издания 1954 г. с учетом предложений транспортных ВУЗов, научных и проектно-конструкторских организаций и железных дорог. Однако, оценочные критерии прочности, приведенные в данной методике, не учитывают вибрационный характер воздействия экипажа на путь.

Основные причины, оказывающие влияние на увеличение вибрационного и силового воздействия на путь

Увеличение скоростей движения поездов при возрастающей грузонапряженности дорог требует повышения прочности и устойчивости пути. Применение железобетонных шпал и рельсов тяжелых типов вызывает наряду с усилением пути повышение его жесткости. Увеличением жесткости пути усиливается влияние неровностей на рельсах и колесах экипажа на вибрации, деформации и силовое взаимодействие элементов. Установлено, что расстройства существующего пути с железобетонными шпалами накапливаются интенсивнее, чем пути с деревянными шпалами, особенно при наличии неровностей на рельсах.

Усиление верхнего строения пути – укладка рельсов тяжелых типов, щебеночного балласта, железобетонных шпал – связано с увеличением его жесткости. Если бы колеса подвижного состава и путь не имели неровностей, то более жесткий путь обладал бы в основном положительными качествами (вызывал бы меньшее сопротивление движению поездов, меньшие изгибные напряжения в рельсах и т.п.). Но наличие неравномерного проката, наваров, ползунов на колесах, неровностей в стыках и местах сварки рельсов, а также пробоксовин, седловин, волнообразного износа и других неровностей на рельсах значительно ухудшает взаимодействие элементов пути и подвижного состава и является возбудителем вредных вибраций, особенно при высоких скоростях движения поездов. В этих условиях кроме воздействия с частотой, равной частоте прохода колес (до 16 Гц), путь одновременно испытывает и более высокочастотные воздействия. Путь является дискретной системой. Сопротивляемость его всем этим воздействиям поездной нагрузки проявляется в основном через силы трения и сцепления между отдельными его элементами и частицами (между рельсами и шпалами, шпалами и балластом, между щебенками, песчинками и частицами грунта земляного полотна). При эксплуатации объектов железной дороги следует учитывать способность их сохранять исходные параметры при природном и техногенном воздействиях. Характер этих воздействий определяется влиянием различных факторов, в том числе и уровнем вибраций, возникающих при движении подвижного состава. Вибрационные воздействия оказывают существенное влияние на состояние железнодорожного пути. Причинами их возникновения являются [92-101]:

• прогибы пути и опорной системы, возникающие при движении подвижного состава (квазистатическое возбуждение);
• различные расстояния между осями колесных пар (параметрическое возбуждение);

– дефекты колес (ползуны, навары, выбоины, неравномерный прокат и др.) и рельсов (пробоксовины, седловины, волнообразный износ и др.);

• разрывы железнодорожного пути в стыках рельсов и на стрелочных переводах, которые вызывают ударные воздействия.

Существующие методы оценки вибродинамических воздействий
экипажа на путь

Применяемая в настоящее время, методика испытаний по воздействию на путь, предложенная проф. М.Ф. Вериго и А.Я. Коганом в семидесятых годах прошлого столетия [102], рекомендует производить измерения следующих параметров: напряжений во внутренней и наружной кромках подошвы рельса, вертикальных и горизонтальных нагрузок от колеса на рельс и на шпалы, просадок и отжатий рельсов.

Число и исследуемых сечений пути лимитируется возможностями конкретной измерительной и обрабатывающей аппаратуры, а так же финансовыми возможностями ее приобретения.

Измерение напряжений в рельсах тензометрическим методом, н является е требует внесения изменения в конструкции пути опытного участка, и наиболее рациональным методом. Определение нагрузки на рельс методом Шлюмпфа [103] также производятся на основе тензометрии и проведения силовых калибровок измерительных сечений.

В работах [104, 105] приведены измеренные напряжения в рельсах железнодорожного пути, как в вертикальном, так и в горизонтальном поперечном направлении. По мнению авторов [104, 105] полученные ими результаты обосновывают необходимость проведения предварительной оценки упругости пути в измеряемых сечениях, а также, на стадии подготовки опытного участка производить калибровки измеряемых сечений для оценки жесткости пути, что позволит увеличить число измеряемых сечений при проведении опытных поездок.

В работе [106] анализируются нагрузки на рельсы и полусуммы напряжений в кромках подошвы рельса, полученные на двух участках пути. Коэффициенты корреляции составляли величины между 0,8 и 0,95. При этом в отдельных сечениях корреляции выше, чем в объединенной совокупности из-за различного влияния неровностей пути на траекторию движения в разных сечениях.

В качестве «вероятностной оценки, определяемой по зависимости величины, можно использовать величину среднеквадратического отклонения (СКО), мгновенных значений от линейной зависимости» [107, 108].

Одним из важных этапов приемочных и сертификационных испытаний подвижного состава, в котором устанавливается соответствие экипажа действующим нормам безопасности движения и прочности пути, являются динамические комплексные и по воздействию экипажа на путь и стрелочные переводы испытания. Основой их методического обеспечения, как в Российской Федерации, так и в Республике Казахстан, в настоящее время является «Типовая методика испытаний по воздействию на путь» [109].

Во ВНИИЖТ, в лаборатории «Комплексные испытания и взаимодействие пути и подвижного состава» накоплен значительный опыт проведения испытаний и научно-исследовательских работ. Так, С.С. Крепкогорским и А.А. Верхотиным была внедрена программная обработка опытных данных статистическими методами [110, 111]. В 90-ых годах прошлого века А.В. Белоусовым разработано программное обеспечение для регистрации и обработки экспериментальных данных о динамики экипажа.

В 80-ых годах предлагались решения для частичной автоматизации процессов регистрации и обработки данных о воздействии экипажа на путь с использованием промежуточной магнитной записи [112, 113]. В этом случае значительная сложность была связана с необходимостью использования измерительных систем, рассчитанных на большое количество каналов и достаточно высоких частот регистрируемых процессов: до 250 Гц при скоростях движения до 200 км/ч, что обуславливало высокую стоимость новой измерительной аппаратуры.

В России, переход на цифровую запись с использованием ЭВМ был осуществлен в 90-х годах прошлого столетия и в 2003 году цифровые записи использовались при испытании американских локомотивов в Эстонии с помощью специальных тензометрических усилителей со встроенными аналого- цифровыми преобразователями Spider 8 (Производства фирмы HBM, Германия). Данная система использовалась и в Казахстане в 2004 году при испытании испанских локомотива и вагонов «Тальго» на перегоне Алматы- Чемолган. Однако следует отметить, что применение данной системы ограничивается использованием лишь средств тензометрии, способных фиксировать лишь изгибные колебания (сжатие-растяжение) в достаточно низком диапазоне частот. Данный фактор значительно сужает объем информации, необходимой для детальной оценки работы элементов железнодорожного пути под поездной нагрузкой.

В условиях динамичного развития экономики Республики Казахстан к надежности железнодорожного транспорта предъявляются все более высокие требования. Особенно актуальными при эксплуатации железной дороги становятся вопросы, связанные с определением влияния вибрационных воздействий на работу элементов верхнего строения пути. К сожалению, до настоящего времени эта проблема не исследовалась детально, а значительная часть предыдущих подобных исследований производилась на основе измерений, выполненных в аналоговой форме. Из исследований, в которых использовалось оборудование с возможностью использования персонального компъютера с визуализацией данных на экране монитора, особенно следует отметить [114, 115]. В частности, в работе [114], описывается способ решения одной из задач вибродиагностики: определение интегральных параметров проходящего подвижного состава (момент времени прохождения контрольной точки железнодорожного пути, номер пути, тип локомотива, тип вагонов, скорость подвижного состава,количество вагонов). Данный способ защищен патентом на изобретение Российской Федерации [115].

Выполненные в работе [116] «экспериментальные исследования существенно уточнили значения резонансной частоты» как верхнего строения пути, так и грунтовой среды, показали зависимость резонансной частоты от параметров конкретных участков магистрали.

В работе [117], с применением современных средств и новейших информационных технологий, «разработаны теоретико-экспериментальные основы анализа динамики напряженно-деформированного состояния в верхнем строении железнодорожного пути, слоистой грунтовой среде как результата взаимодействия составляющих вязко-упругих и гетерогенных полуограниченных тел. Установлено, что взаимное влияние систем вибрирующих жестких и гибких объектов, систем заглубленных включений в зависимости от соотношения механических и геометрических параметров задачи, может приводить как к усилению, так и к гашению колебаний», распространяются в сплошной среде.

В работе [118] изложены исследования «влияния конструкции промежуточных рельсовых скреплений на несущую способность земляного полотна скоростных железнодорожных линий». Практически во всех приведенных выше работах, исследовались, в основном, колебания (вибрация) земляного полотна и щебеночного балласта. Исследований колебаний (вибрации) таких элементов ВСП, как рельсы, шпалы, клеммы ПРС, с использованием цифровых технологий, явно недостаточно.

Выводы по первой главе

На основе изложенного выше, следуют выводы, приведенные ниже.

1. Вибрация, возникающая в элементах железнодорожного пути (рельсах, шпалах, рельсовых скреплениях, балластном основании и др.) при прохождении поездной нагрузки, в значительной мере влияет на прочность, а, следовательно, и на долговечность работы, как самих элементов, так и железнодорожного пути в целом.
2. В настоящее время на постсоветском пространстве оценка взаимодействия железнодорожного пути с подвижным составом производится с применением измерительных систем, основанных на средствах тензометрии, которые способны фиксировать лишь деформации «сжатия-растяжения» и изгибные колебания элементов пути в достаточно низком диапазоне частот. Эти системы не позволяют в полной мере учитывать вибрационные воздействия на путь, что существенно уменьшает объем информации, необходимой для детальной оценки работы элементов железнодорожного пути под поездной нагрузкой.

3. В настоящее время существует необходимость создания методики вибродиагностики, дающей возможность производить экспресс-анализ состояния ВСП на участках с различными типами ПРС по динамическим параметрам, и позволяющей принимать наиболее оптимальные решения при планировании работ по текущему содержанию и ремонтам пути с учетом воздействия обращающегося подвижного состава.

В целях реализации решения вышеизложенных проблем, необходимо:

• выбрать средства измерения и программное обеспечение для анализа отклика элементов конструкции железнодорожного пути при вибродинамических воздействиях подвижного состава, доказать их приемлемость для проведения исследования;
• разработать методику проведения вибродиагностики ВСП, позволяющую производить сравнение отклика конструкций пути с различными типами ПРС на воздействие подвижной нагрузки;
• по разработанной методике выполнить натурные экспериментальные исследования при известной осевой нагрузке от подвижного состава и его скорости, с целью выявления параметров вибрации, наиболее адекватно отражающих вибродинамические процессы в элементах ВСП;
• произвести сравнение отклика элементов ВСП с различными типами ПРС на вибродинамическое воздействие и разработать методику экспресс- анализа, позволяющую осуществлять выбор наиболее оптимальной конструкции ПРС для данного участка.

Методика вибродиагностики железнодорожного пути с различными типами промежуточных рельсовых скреплений

Сопротивляемость железнодорожного пути вибрационным воздействиям проявляется в основном через силы трения и сцепления между отдельными его элементами и частицами (между рельсами и шпалами, шпалами и балластом, между щебенками, частицами и песчинками грунта земляного полотна).

Сущность методики проведения вибродиагностики заключается в следующем. Участок железнодорожного пути должен быть в технически исправном состоянии. Железнодорожная колея на участках должна иметь допуски на уширение +8 мм, на сужение -4 мм; отступления геометрии рельсовой колеи не должны превышать первой степени.

Основные положения методики вибродиагностики

Сопротивляемость железнодорожного пути вибрационным воздействиям проявляется в основном через силы трения и сцепления между отдельными его элементами и частицами (между рельсами и шпалами, шпалами и балластом, между щебенками, частицами и песчинками грунта земляного полотна).

Сущность методики проведения вибродиагностики заключается в следующем.

Участок железнодорожного пути должен быть в технически исправном состоянии.

Железнодорожная колея на участках должна иметь допуски на уширение +8 мм, на сужение -4 мм; отступления геометрии рельсовой колеи не должны превышать первой степени.

Датчики вибрации устанавливают в 2-х сечениях исследуемого участка железнодорожного пути в соответствии с разработанной схемой.. С целью минимизации взаимного влияния колебаний конструкций пути, с различными типами ПРС на участках их сопряжения, расстояние между сечениями должно быть максимально возможным, а длина измерительного тракта не должна влиять на результат измерений. Производят записи (не менее 5) процесса колебаний элементов железнодорожного пути от воздействия поездной нагрузки.

Аналоговый сигнал с вибродатчиков в АЦП преобразуется в цифровую форму и приводится к реальным значениям виброскорости по калибровочным коэффициентам, полученным для каждого датчика в процессе их тарировки. Производится построение амплитудно-временных зависимостей (виброграмм) для каждого элемента в отдельности (для рельсов, шпал, рельсовых скреплений). С использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) производится построение графиков спектральной плотности дисперсии сигнала (амплитудно-частотных зависимостей) – спектров виброскорости. Вычисляется среднее квадратическое значение (СКЗ) виброскорости. При помощи операции интегрирования численным методом амплитудно-временных зависимостей виброскорости производится построение графиков амплитудно-временной зависимости виброперемещений (осциллограмм), а затем с использованием БПФ строятся графики спектра виброперемещений (амплитудно-фазо- частотные зависимости виброперемещения).

Далее, после предварительной фильтрации оцифрованного сигнала с вибродатчиков в нижнем диапазоне частот (от 0 до 1000 Гц), при помощи операции дифференцирования производится построение графиков амплитудно- временной зависимости виброускорений (акселерограмм). С использованием БПФ производится построение графиков амплитудно-фазо-частотных зависимостей виброускорений – спектров виброускорений (графиков спектральной плотности дисперсии). Вычисляется СКЗ виброускорения.

Следует отметить, что БПФ представляет собой аппроксимацию действительного преобразования Фурье на конечном интервале времени Ж и, следовательно, для повышения точности аппроксимации, расстояние между точками должно быть как можно меньше. Кроме того, алгоритмы БПФ требуют, чтобы количество точек было равно 2 в степени К, т.е. п = 2^м, где N есть целое число. Как результат, переход при анализе сигнала из временной области в частотную может происходить в реальном времени. Проблема «растекания» спектра решается применением такой технологии записи сигнала, при которой записывающая аппаратура начинает и заканчивает запись при уровне сигнала, близком к нулю.

В качестве диагностируемых параметров колебаний элементов верхнего строения пути, по которым производится сравнение рельсовых скреплений на участках сопряжений, предлагается принимать:

• пиковые           и среднеквадратические ^_е) значения (далее СКЗ) виброперемещения, пиковые (и_р) и СКЗ (и_е) виброскорости рельса в центре шпального ящика и в середине шпалы на оси пути, характеризующие изгибные колебания данных элементов, возникающие в них механические напряжения и мощность вибродинамического воздействия;
• коэффициент затухания (Р) амплитуды виброскорости колебаний рельса по отношению к колебаниям шпалы, площади спектров виброскорости колебаний рельса (Ар) и шпалы (Аш) в диапазоне частот до 20 Гц и их отношение (у), характеризующие изменение колебательной мощности и демпфирование вибрации вследствие рассеяния механической энергии;
• отношения динамических сил, возникающих при движении поезда на подошве рельса и в середине железобетонной шпалы, к соответствующим статическим силам.

Особенности функционирования аппаратуры для измерения вибрационных сигналов

В мировой практике оценка вибрационных воздействий на конструкции производится определением скорости колебаний при вибродинамическом воздействии [119-137]. Задачи исследований механических колебаний (вибрации) железнодорожного пути вполне успешно можно решать методами и средствами, используемыми в техногенной сейсмологии.

Решение вопросов электросовместимости и помехозащиты подробно изложено в работе [138]. Следует отметить, что в настоящее время вопросы обработки и интерпретаци результатов экспериментов практически решены. Разработаны различного рода первичные и вторичные преобразователи, имеюшие хорошие метрологическими характеристиками [139]. Широкое распространение при измерении вибрации получили индукционные датчики вибрации с выходным сигналом пропорциональным скорости (сейсмометры) [140]. Конструктивно индукционные датчики представляют собой довольно сложную механическую систему. В корпусе датчика закреплена обмотка катушки. Сейсмическая масса, выполненная из магнитного материала, подвешена с двух сторон на пружинах. При пересечении магнитными силовыми линиями постоянного магнита витков катушки, в ней наводится ЭДС (рисунок 2.2).

К основным достоинствам индукционных датчиков относятся: высокий коэффициент преобразования; низкое выходное сопротивление, что позволяет использовать их без дополнительных согласующих устройств и усилительной аппаратуры; малая чувствительность к помехам и влажности. К их недостаткам можно отнести ограниченный рабочий частотный диапазон, сложность конструкции.

Полезный частотный диапазон для недемпфированного акселерометра ограничен из-за того, что величина 1 – (ω/ωn)^2 уменьшается значительно быстрее, чем растет ω.

Однако при демпфировании в диапазоне ζ = 0,65…0,7 уменьшение 1 – (ω/ωn)^2 компенсируется величиной (2ζω/ωn)^2, и полезный частотный диапазон существенно расширяется.

На рисунке 2.3 показано изменение фактора для различного демпфирования в датчике.

Для большинства акселерометров с демпфированием около С⁼0,7 происходит не только существенное расширение полезного частотного диапазона, в котором датчик может работать в линейной области, но и практически отсутствуют фазовые нарушения.

В настоящие время в качества датчика вибраций все чаще используются акселерометры и, в частности, пьезоэлектрические акселерометры. Принцип работы пьезоакселерометров основывается на пьезоэлектрическом эффекте, присущим некоторым кристаллам (кварц, турмалин) и керамикам (на основе титана бария, титана свинца и цирконата свинца). Когда к такому материалу приложена некоторая сила, то на его поверхности образуется заряд.

Пьезоэлементы, используемые в датчиках, могут работать на растяжение- сжатие либо на сдвиг. Последние конструкции в настоящие время нашли более широкое применение в связи с их меньшей чувствительностью к шумам, изменениям температуры окружающей среды и т.д. Конструктивная схема пьезоакселерометра с пьезоэлементами, работающими на сдвиг, показана на рисунке 2.4.

Пьезоакселерометры различают способом крепления датчика к конструкции (шпилечным или винтовым), материалом, из которого изготовлен корпус и основание, конструкцией и материалами электрического кабеля и т.д. К основным достоинствам пьезоакселерометров относятся: хорошие линейные характеристики; малая собственная масса (масса датчика может быть менее 1 г); широкий рабочий динамический диапазон (160 дБ); широкий рабочий частотный диапазон (от 0,5 Гц до 50000 Гц с отклонением от линейности менее 5%); прочная и простая конструкция; высокая стойкость в отношении неблагоприятных окружающих условий; малая поперечная чувствительность. Их главным недостатком является то, что для их использования необходимы дополнительные согласующие устройства (преобразователи заряда) и усилительная аппаратура (усилители заряда) в случае передачи данных на расстояние более 5 м.

Мобильный аппаратно-программный комплекс

Для решения задач исследований механических колебаний (вибраций) железнодорожного пути, автором работы, использовался мобильный аппаратно-программный комплекс. Все измерительные устройства, входящие в комплекс сертифицированы и внесены в Государственный реестр средств измерений Российской Федерации и Республики Казахстан. Общий вид аппаратно-программного оборудования показан на рисунке 2.5.

В качестве датчиков использовались велосиметры МВ-25Д-В, преобразующие механические колебания в электрические сигналы и служат для измерения скорости колебаний.

Рабочий диапазон частот вибродатчиков – от 1 до 1000 Гц. Согласно теореме Котельникова-Найквиста-Шеннона, сигнал может быть восстановлен точно, если он имеет ограниченный спектр и частота дискретизации не менее чем в два раза превышает ширину спектра сигнала. Таким образом, принятая при проведении записи и обработки сигнала частота дискретизации виброизмерительного канала в 8000 Гц (соответственно период опроса датчика 0,000125 с), позволила производить измерения при помощи, разработанного автором, мобильного аппаратно-программного комплекса с 4-х кратным запасом необходимой точности. Применение такой высокой частоты дискретизации практически исключило пропуск пиковых значений сигнала.

В электронном блоке аналого-цифрового преобразователя (АЦП) измерительного модуля Е14-440 происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой. Основные технические характеристики вибродатчиков МВ-25Д-В представлены в таблице 2.1.

Подключение вибродатчиков МВ-25Д-В к входу АЦП осуществляется экранированными проводами длиной Ь=11 м. Для обеспечения высокой
помехозащищенности измерительного тракта применена особая дифференциальная схема подключения входных сигналов «по току» (рисунок 2.6). Огромное преимущество этого способа в том, что длина проводов Ь не оказывает существенного влияния на длительность переходного процесса на входе АЦП, поскольку фактически малый импеданс источника сигнала уже обеспечен.

Крепление вибродатчиков на элементах железнодорожного пути осуществляется с применением дополнительных крепежных устройств, общий вид которых показан на рисунке 2.7. Данные крепежные устройства не приводят к значительным искажениям механических колебаний элементов пути и позволяют осуществлять мобильную установку датчиков на конструкцию. Аппаратно-програмный комплекс может работать в среднем 18-20 часов. Продолжительность работы, ограничиваеется емкостью аккумкляторной батареи. Подготовка комплекса к работе заключается в подключении разъемов вибродатчиков, к разъемам АЦП и соединении устройства с ПК через шину USB.

Тарировка вибоизмерительной аппаратуры

Тарировка виброизмерительной аппаратуры является обязательным этапом при проведении вибрационных измерений. Ее цель определить соотношение между амплитудным значением параметра колебаний, регистрируемым и отображаемым каким-либо устройством, и его истинным значением в месте установки вибродатчика. После тарировки виброизмерительную аппаратуру (без каких-либо изменений) можно использовать для вибрационных измерений.

Только зная коэффициент преобразования в процессе вибрационных измерений, можно получать истинные амплитуды колебаний в месте установки вибрационного датчика. Весьма важно также определить диапазон частот и амплитуд, в котором коэффициент преобразования для используемой вибрационной аппаратуры не зависит от частоты и является постоянной величиной.

Для того, чтобы провести тарировку виброизмерительной аппаратуры требуется знать точные значения частоты и амплитуды входного вибрационного сигнала.

Ряд фирм выпускает специальные устройства для проведения тарировки виброизмерительной аппаратуры. Эти высокоточные устройства, и в частности электродинамические вибраторы, позволяют задать возбуждение с высокой точностью, как по частоте, так и по амплитуде.

Для тарировки мобильного аппаратно-программного комплекса была использована установка на базе электродинамического возбудителя ESE-201. Основные технические характеристики вибратора ESE-201 представлены в таблице 2.2.

Схема установки представлена на рисунке 2.8. Установка состоит из электродинамического возбудителя ESE-201, питаемого от генератора через мощный усилитель LV-103, и виброизмерительного устройства, включающего в себя калибровочный пьезоэлектрический акселерометр КД-10, электронный блок RFT. Основные технические характеристики калибровочного акселерометра КД-10 представлены в таблице 2.3. Для наблюдения за формой колебания вибратора к электронному блоку подключен осциллограф.

Работа на установке при тарировке осуществляется следующим образом. С помощью генератора задается переменный электрический сигнал с необходимой частотой и амплитудой, который после усиления передается на электродинамический вибратор ESE-201. Частота сигнала измеряется с помощью цифрового частотомера. Электрические колебания в электродинамическом вибраторе преобразуются в механические колебания с той же частотой и некоторой амплитудой виброперемещения. Калибровочный акселерометр КД-10 фиксирует значение амплитуд виброускорений, генерируемых вибратором. Как известно для синусоидального сигнала изменение амплитуды виброперемещения определяется функцией:

5 = 5 sm(a>t) – (2.2)

где s – мгновенное значение амплитуды виброперемещения;
S – максимальное значение амплитуды виброперемещения;
t – время.

Закон изменения амплитуды виброускорений равен производной функции виброскорости по времени:

где а – мгновенное значение виброускорения.

Из приведенных выше уравнений видно, что существует однозначная
математическая зависимость между максимальными амплитудами виброперемещения, виброскорости и виброускорения:

где А и V – соответственно, максимальное значение амплитуды виброускорения и виброскорости;
/ – частота колебаний в единицу времени (техническая частота).
Разница ускорений на переднем и обратном торцах колебательного элемента (см. рисунок 2.8) учитывается коэффициентом:

где а^ и ау – соответственно, ускорения на переднем и обратном торцах
колебательного элемента.

Значения К/ изменяются от частоты / следующим образом: К/=1 при 7=1-250 Гц, К/=1,01 при/=250-400 Гц, К/=1,03 при /=400-500 Гц, К/=1,04 при /=500-530 Гц, К/= 1,05 при /=530-800 Гц, К/= 1,08 при /=800-1000 Гц, К/=1,1 при/=1000-1250 Гц, К=1,15 при/=1250-1600 Гц, К/=1,2 при/=1600-2000 Гц. В ходе проведения тарировки мобильного аппаратно-программного комплекса использовались следующие базовые значения частот исходного сигнала: 5, 10, 45, 65, 85, 100, 125, 160, 200, 350, 320, 400, 500, 530, 800, 1000, 1250, 1600, 2000. Значения амплитуд виброскорости (мм/с) варьировались в пределах от 3 до 400.
Производился отсчёт показаний напряжения ис на выходе исследуемого измерительного канала. По измеренным значениям напряжения ис и ускорениям рассчитывалась чувствительность (коэффициент преобразования) исследуемого измерительного канала мобильного виброизмерительного комплекса по формуле:

В результате тарирования мобильного аппаратно-программного комплекса было выявлено, что, комплекс с достаточной точностью и без искажения сигналов позволяет измерять вибрации в диапазоне от 1 до 1000 Гц. Ошибка измерений проводимых в этом диапазоне частот составляет не более 5%. Коэффициенты преобразования различны для каждого измерительного канала (таблица 2.4), диапазон их изменения составляет КП =10,2^12,2 мВ/(мм/с). Разработанный мобильный виброизмерительный комплекс вполне приемлем для проведения экспериментальных исследований механических колебаний железнодорожного пути.

Помимо амплитудно-временных зависимостей виброскорости в точках установки датчиков, интерес также представляли, амплитудно-временные зависимости виброперемещений и виброускорений, а также амплитудно- частотные характеристики.

Программа обработки и интерпретации полученных данных

Записи сигналов производятся с помощью программы «LGraph2» (рисунок 2.9), поставляемой вместе с модулем Е14-440.
Данная программа производит запись амплитудно-временных характеристик виброскоростей на шестнадцати дифференциальных каналах одновременно. Перед началом записи устанавливается диапазон входного сигнала для каждого канала, время сбора данных (в зависимости от задач исследований может составлять от 1 мс до 28 суток). Частота дискретизации на канал зависит от параметров АЦП и требуемой точности измерений (для модуля Е14-440 при использовании шестнадцати дифференциальных каналов одновременно максимальна частота дискретизации, составляет 12000 Гц).

Функционально программа «LGraph2» представляет собой электронный осциллограф, который позволяет рассматривать не более восьми из шестнадцати возможных каналов одновременно (рисунок 2.9). Амплитуда сигналов выражается в реальных значениях напряжений, переданных с вибродатчиков на блок АЦП. Поэтому реальные значения виброскоростей, и тем более виброперемещений и виброускорений, в точках установки вибродатчиков невозможно получить при помощи данного модуля.
Учитывая ограниченность инструментов обработки программы «LGraph2», ее целесообразно использовать исключительно для записи сигналов на жесткий диск. Результаты можно сохранить на жестком диске компьютера в нужном формате.

С целью визуализации и анализа, полученных в ходе проведенных измерений, , использовался пакет прикладных программных продуктов компании “Mathsoft Engineering & Education, Inc.” – “Mathcad”. Для обеспечения возможности проведения подробного анализа динамического воздействия от известной осевой нагрузки (в данной работе – электровоз ВЛ- 80с), разработана специальная программа, позволяющая вырезать из общей записи сигнала интересующий фрагмент. Программа написана на языке С++ и совместима с программным пакетом рассмотренным выше. Структурная схема программы представлена на рисунке 2.10.
Значения амплитуды и фазы к -й гармонической составляющей связаны с значениями Vk следующим образом:

где Xк и фк – соответственно, амплитуда и фаза к -й гармонической составляющей; Reк = Хк соБф); 1тк = Xк этф).

Все составляющие пакета были протестированы на реальных данных, полученных с использованием мобильного аппаратно-программного комплекса.

Выводы по третьей главе

На основе изложенного выше, следуют выводы, приведенные ниже:

1. Ошибка измерений проводимых в диапазоне частот от 1 до 1000 Гц составляет не более 5 %. Таким образом, мобильный аппаратно-программный комплекс приемлем для проведения экспериментальных исследований механических колебаний (вибрации) железнодорожного пути.
2. Программный пакет обладает подходящими характеристиками для проведения экспериментальных исследований механических колебаний (вибраций) железнодорожного пути.
3. Мобильный аппаратно-программный комплекс и программное обеспечение, позволяют достаточно полно и с высокой точностью решать задачи исследований механических колебаний (вибраций) железнодорожного пути при вибродинамическом воздействии подвижного состава.
4. Предлагаемую методику вибродиагностики можно принять за основу при проведении натурных измерений параметров колебаний с целью сравнения динамической работы железнодорожного пути с различными типами промежутоных рельсовых скреплений.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ПУТЬ

Информативные параметры, характеризующие состояние объекта

На основании изучения динамических процессов железнодорожного пути с различными типами промежуточных скреплений при воздействии поездной нагрузки, в том числе и с участием автора данной работы [141-158], предлагается метод вибродиагностики, основанный на измерении и анализе механических колебаний (вибраций) элементов пути при воздействии эксплуатационных нагрузок от подвижного состава.
Данный метод позволяет выявлять основные причины возникновения вибрационных воздействий подвижного состава на путь, подробно изложенные в разделе 1.3 настоящей работы.
На рисунке 3.1 представлена кривая полигармонической вибрации, характеристики которой использовались для количественной оценки вибрации при проведении вибродиагностики.

Натурные измерения вибрации элементов ВСП со скреплением типа Vossloh W-14 под поездной нагрузкой

Натурные измерения вибрации элементов ВСП проводились на участке пути ПК 4035-4045 УПЧ-46. Для выявления наиболее значимых критериев оценки воздействия подвижного состава на путь, был выбран участок с ПРС типа Vossloh W-14. На рисунке 3.2 представлены фрагменты железнодорожного пути с установленными датчиками вибрации. Записи механических колебаний элементов железнодорожного пути производили в двух сечениях данного участка, имеющих одинаковые характеристики (рельс типа Р65, расстояние между соседними шпалами – 0,54 м, щебеночный балласт) на прямом горизонтальном участке железнодорожного пути.

Записи производились в летний период. В таблице 3.1. представлены данные по скоростям движения подвижного состава и численности записей. Скорость движения подвижного состава определяли по виброграммам.
В целях выявления закономерностей вибрации ВСП от воздействия подвижного состава, анализ производился при известных характеристиках источника вибрации и известной нагрузке на ось от подвижного состава. В частности, для 80% грузовых и пассажирских составов для данной магистральной линии в качестве тяговой силы используется электровоз ВЛ-80с с осевой нагрузкой Рст=12 т. Характерные геометрические параметры данного локомотива, оказывающие влияние на частоту воздействия приведены на рисунке 3.3.

На рисунке 3.4 предсавлена виброграмма и ее спектр, полученные на подошве рельса при проходе пассажирского состава со скоростью 100 км/ч. На рисунках 3.5-3.20 приведены осцилограммы, акселерограммы и их спектры, полученные на исследуемых элементах железнодорожного пути (рельсе, упругой клемме, шпале) Vossloh W-14 при проходе локомотива ВЛ-80с со скоростью 100 км/ч, после обработки указанным выше программным пакетом.

На рисунке 3.21 представлен график зависимости пикового значения виброперемещения подошвы рельса от скорости локомотива ВЛ-80с, построенный по данным таблицы 1 (графы 2 и 3). Полученная зависимость описывается

Зависимость описывается степенной функцией, с коэффициентом детерминации 0,9. Данная зависимость дает достаточно достоверный прогноз силового воздействия на рельс для скорости движения подвижного состава в диапазоне 0-120 км/ч.

На рисунке 3.23 приведена зависимость СКЗ виброперемещения подошвы рельса от скорости локомотива ВЛ-80^с. Зависимость описывается степенной функцией, с коэффициентом детерминации 0,8956.

Отсюда можно сделать вывод, что разрушительное действие механических колебаний возникающих на подошве рельса при движении локомотива ВЛ-80^с, характеризуемое среднеквадратическим значением виброперемещения, описывается степенной функции вида s_е=0,0034V’ , где 0,0034 – масштабный множитель, 2,377 – показатель степени.

На рисунке 3.24 приведена зависимость пикового значения виброскорости подошвы рельса от скорости локомотива ВЛ-80^с, зависимость описывается степенной функцией, с коэффициентом детерминации 0,2138. На рисунке 3.25 показана зависимость среднеквадратического значения виброскорости подошвы рельса от скорости движения локомотива ВЛ-80^с, зависимость описывается степенной функцией, с коэффициентом детерминации 0,3037. На рисунке 3.26 показана зависимость пикового значения виброускорения подошвы рельса от скорости локомотива ВЛ-80^с, зависимость описывается степенной функцией, с
коэффициентом детерминации 0,2978. На рисунке 3.27 показана зависимость СКЗ виброускорения подошвы рельса от скорости движения локомотива ВЛ-80^с, зависимость описывается степенной функцией, с коэффициентом детерминации 0,241. Зависимости (рисунок 3.24-3.27) имеют низкий коэффициент детерминации и их использование при дальнейшем анализе колебаний других элементов пути не целесообразно.

Результаты исследований механических колебаний упругой клеммы скрепления типа Vossloh W-14

В таблице 2 Приложения A приведены результаты исследований механических колебаний упругой клеммы скрепления типа Vosloh W-14, возникающих при движении локомотива ВЛ-80с с различными скоростями.
Из анализа результатов иследований механических колебаний упругой клеммы скрепления типа Vossloh W-14 выявлено следующее:

• в диапазоне скоростей движения локомотива 45-74 км/ч, преобладающая частота на спектре виброперемещения fnsS изменяется в диапазоне от 4,2 до 6,8 Гц и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения ¡¡=3 м, где ¡¡ =3 м расстояние между колесными парами тележки локомотива ВЛ-80^с;
• в диапазоне скоростей движения локомотива 75-86 км/ч, преобладающая частота на спектре виброперемещения/_п.₃ изменяется в диапазоне от 5,8 до 6,6 Гц, то есть имеет место суперпозиция частот, соответствующих параметрам возбуждения ¡¡=3 м и ¡₂=4,5 м, где ¡2=4,5 м расстояние между тележками локомотива ВЛ-80^с;
• в диапазоне скоростей движения локомотива 91-103 км/ч, преобладающая частота на спектре виброперемещенияизменяется в диапазоне от 5,6 до 6,4 Гц и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения ¡₂=4,5 м;
• при скорости движения электровоза 45 км/ч преобладающая частота на спектре виброскорости /_пл), составляет 29,4 Гц и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения /=0,425 м, где ¡₃=0,425 расстояние между точками опоры крайних ветвей упругой клеммы для соседних шпал;
• в диапазоне скоростей от 50 до 103 км/ч преобладающая частота на спектре виброскорости /_п._ь полностью совпадает с преобладающей частотой на спектре виброперемещения
• преобладающая частота на спектре виброускорения /_па не зависит от частоты воздействия (скорости движения и параметров возбуждения), а зависит от условий контактного взаимодействия между упругой клеммой и рельсом. Преобладающая частота на спектрах виброускорения /_Паа полученных на упругой клемме типа Vosloh W-14при проведении исследований изменялась в диапазоне от 602 до 933 Гц.
• На рисунке 3.28 показана зависимость пикового виброперемещения упругой клеммы типа Vosloh W-14 от скорости локомотива ВЛ-80^с. Зависимость выражается степенной функцией с коэффициентом детерминации 0,9006.

На рисунке 3.29 представлен график зависимости отношений динамической силы, возникающей на упругой клемме типа Vossloh W-14 к статической силе от скорости локомотива ВЛ-80с. Зависимость описывается степенной функцией с коэффициентом детерминации 0,8955. Данная зависимость дает достаточно достоверный прогноз отношения динамической силы, возникающей на упругой клемме типа Vossloh W-14, к статической силе при скоростях движения электровоза 0-120 км/ч.
На рисунке 3.30 приведена зависимость СКЗ виброперемещения упругой клеммы типа Vossloh W-14 от скорости локомотива ВЛ-80с. Зависимость аппроксимирована степенной функцией с коэффициентом детерминации 0,8919.

Результаты исследований механических колебаний шпалы

Исследования колебаний шпалы производились в двух ее сечениях: на середине и конце железобетонной шпалы. В таблице 3 Приложения А приведены результаты исследований механических колебаний середины шпалы, возникающих при движении локомотива ВЛ-80с с различными скоростями.
Из анализа результатов иследований механических колебаний середины железобетонной шпалы, выявлено следующее:

• в диапазоне скоростей движения локомотива 45-103 км/ч, преобладающая частота на спектре виброперемещения/п.8 изменяется в диапазоне от 2,9 до 6,3 Гц и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения /2=4,5 м, где /2=4,5 м расстояние между тележками локомотива ВЛ- 80с;
• в диапазоне скоростей от 45 до 66 км/ч преобладающая частота на спектре виброскорости /п.изменяется в диапазоне от 29,4 до 43,6 Гц и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения 13=0,425 м, где /3=0,425 расстояние между точками опоры крайних ветвей упругой клеммы для соседних шпал;
• в диапазоне скоростей от 67 до 103 км/ч преобладающая частота на спектре виброскорости /п.изменяется в диапазоне от 5,2 до 7,9 Гц, и соответствует суперпозиция частот с параметрам возбуждения /¡=3 м и /2=4,5 м;
• преобладающая частота на спектре виброускорения /па не зависит от частоты воздействия (скорости движения и параметров возбуждения), а зависит от условий контактного взаимодействия между шпалой и щебеночным балластным основанием. Преобладающая частота на спектрах виброускорения /_пм полученных на середине железобетонной шпалы при проведении исследований изменялась в диапазоне от 318 до 661 Гц, что соответствует хорошему контакту шпалы с щебеночным балластным основанием.

На рисунке 3.31 показана зависимость пикового виброперемещения середины железобетонной шпалы от скорости движения локомотива ВЛ-80с. Представленная зависимость аппроксимируется степенной функцией с коэффициентом детерминации 0,8898.
На рисунке 3.32 приведен график зависимости отношений динамической силы, возникающей на середине железобетонной шпалы к статической силе от скорости электровоза ВЛ-80с. Зависимость описывается степенной функцией с коэффициентом детерминации 0,8898. Данная зависимость дает достаточно достоверный прогноз отношения динамической силы, возникающей на середине железобетонной шпалы, к статической силе при скоростях движения локомотива до 120 км/ч.
На рисунке 3.33 представлена зависимость СКЗ виброперемещения середины железобетонной шпалы от скорости движения локомотива ВЛ-80с. Зависимость аппроксимируется степенной функцией с коэффициентом детерминации 0,918.

В таблице 4 Приложения А приведены результаты исследований механических колебаний конца железобетонной шпалы, возникающих при движении локомотива ВЛ-80с с различными скоростями.
Из анализа результатов иследований механических колебаний конца железобетонной шпалы выявлено следующее:

• в диапазоне скоростей 45-66 км/ч, преобладающая частота на спектре виброперемещения /п.8 изменяется в диапазоне от 4,2 до 6,1 Гц и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения ¡1=3 м;
• в диапазоне скоростей 67-74 км/ч, преобладающая частота на спектре виброперемещения /_п.₈ изменяется в диапазоне от 5,2 до 5,7 Гц и соответствует суперпозиция частот с параметрам возбуждения ¡¡=3 м и ¡₂=4,5 м;
• в диапазоне скоростей 75-103 км/ч, преобладающая частота на спектре виброперемещения /_п.₈ изменяется в диапазоне от 4,6 до 6,3 Гц и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения ¡2=4,5 м;
• при скорости движения электровоза 45 км/ч преобладающая частота на спектре виброскорости /_пл), составляет 29,4 Гц и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения ¡=0,425 м, где ¡з=0,425 расстояние между точками опоры крайних ветвей упругой клеммы для соседних шпал;
• в диапазоне скоростей от 50 до 74 км/ч преобладающая частота на спектре виброскорости /_Пиь, изменяется в диапазоне от 4,6 до 6,9 Гц, и соответствует частоте воздействия, вычисленной по формуле (1) для параметра возбуждения ¡1=3 м;
• в диапазоне скоростей от 75 до 103 км/ч преобладающая частота на спектре виброскорости /_п._и, изменяется в диапазоне от 5,8 до 7,9 Гц, и соответствует суперпозиция частот с параметрам возбуждения ¡¡=3 м и ¡₂=4,5 м;
• преобладающая частота на спектре виброускорения /_пм не зависит от частоты воздействия, а зависит от условий контактного взаимодействия между шпалой и щебеночным балластным основанием. Преобладающая частота на спектрах виброускорения /_п._а полученных на конце железобетонной шпалы при проведении исследований изменялась в диапазоне от 96 до 353 Гц.

На рисунке 3.34 приведена зависимость пикового значения виброперемещения на конце железобетонной шпалы от скорости локомотива ВЛ- 80^с. Зависимость аппоксимирована степенной функцией с коэффициентом детерминации 0,7184. На рисунке 3.35 приведен график зависимости отношений динамической силы, возникающей на конце железобетонной шпалы к статической силе от скорости локомотива ВЛ-80^с. Зависимость описывается степенной функцией с коэффициентом детерминации 0,7184. Данная зависимость дает достаточно достоверный прогноз отношения динамической силы, возникающей на конце железобетонной шпалы, к статической силе при скорости локомотива до 120 км/ч.

На рисунке 3.36 приведена зависимость СКЗ виброперемещения конца железобетонной шпалы от скорости локомотива ВЛ-80^с. Зависимость аппроксимирована степенной функцией.

В результате корреляционно-регрессионного анализа выявлена тесная связь
между скоростью (V, км/ч) подвижного состава и параметрами вибрации,
введенными автором в качестве оценочных критериев при проведении
вибродиагностики. Сравнение функций линейной и нелинейной форм по
коэффициентам детерминации показало, что исследуемые зависимости наиболее
полно и достоверно описывают функции нелинейной формы. Для основных
показателей получены уравнения регрессии степенной формы. Количественная
проверка гипотезы об адекватности полученных уравнений регрессии степенной
формы показала, что для критерия Фишера выполняется соотношение Fpасч > Fкpит,а для коэффициента детерминации, соответственно, R расч > R крит. Поскольку выполняются соотношения для критерия Фишера и для коэффициента детерминации, то с вероятностью 95% можно утверждать, что исследуемые показатели (оценочные критерии) достаточно хорошо описываются фактором скорости движения экипажа.
Ниже приведены выводы, основыванные на анализе результатов проведенных измерений:

1. Разработанная методика проведения вибродиагностики ВСП под эксплуатационной нагрузкой от подвижного состава, позволяет выявлять степень вибрационного воздействия подвижного состава на элементы ВСП, и получать зависимости динамических параметров от скорости движения подвижного состава.

2. Полученные зависимости пиковых ^р) и СКЗ (¿*е) виброперемещения, а также зависимости отношения динамических сил к статическим силам от скорости (V) локомотива, описываются степенными функциями с достаточно высокими коэффициентами детерминации (от 0,7184 до 0,918), и могут использоваться на экспериментальных участках при текущем содержании, среднем и капитальном ремонтах пути в качестве основных критериев оценки при выборе типа скрепления.
3. Полученные зависимости пиковых (ир, ар) и СКЗ (ие, ае) виброскорости и виброускорения от скорости (V) локомотива имеют низкий (менее 0,3037) коэффициент детерминации и могут использоваться в качестве дополнительных критериев к балловой оценке состояния пути по результатам прохода путеизмерительного вагона и результатам экспресс-анализа методом вибродиагностики эксплуатируемых участков сопряжений пути с различными типами ПРС.

ОЦЕНКА ПРС МЕТОДОМ ВИБРОДИАГНОСТИКИ

В настоявшее время на железных дорогах Республики Казахстан и Российской Федерации применяется около 12 типов ПРС. Тип ПРС значительно влияет на количественные характеристики отклика конструкции пути на вибродинамическое воздействие подвижного состава.

Для выявления особенностей колебательного процесса элементов ВСП с различными типами ПРС и с целью сравнения параметоров отклика на воздействие подвижного состава, натурные измерения характеристик колебаний были выполнены на пяти участках АО «НК»КТЖ» :

Участок №1 – сопряжение ЖБР65-Ш 227 км и Pandrol Fastclip на 228 км четного пути на перегоне Чидерты – Экибастуз-1 (УПЧ-30).

Участок №2 – сопряжение Pandrol Fastclip 269 км и КПП-5 на 270 км четного пути на перегоне Уленты – Бощакуль (УПЧ-30).

Участок №3 – сопряжение Vossloh W-14 4035 км и ЖБР65-Ш на 4036 км четного пути на переезде ст.Аксенгер (УПЧ-46).

Участок №4 – сопряжение Vossloh W-14 4035 км и ЖБР65-М на 4036 км четного пути на переезде ст.Аксенгер (УПЧ-46).

Участок №5 – сопряжение ЖБР-65 4041 км и КБ-65 на 4042 км четного пути на перегоне Аксенгер- Бурундай (УПЧ-46).

Измерялись и анализировались дигностические параметры, предложенные в разделе 2.1 настоящей работы. Коэффициент затухания амплитуды виброскорости колебаний шпалы по отношению к виброскорости колебаний рельса (в,1/м) и площади спектров виброскорости колебаний рельса ^р) и шпалы ^ш), характеризующие изменение колебательной мощности, определялись в соответствии с рекомендациями [159,160]. Расчет площади спектров виброскорости колебаний рельса и шпалы производился в диапазоне частот до 20 Гц.

^{А =} 4                           (4.1)

где А1 – амплитуда виброскорости (осредненное значение размаха колебаний, регистрируемого под каждой осью подвижного состава) на подошве рельса; А2 – амплитуда виброскорости (осредненное значение размаха колебаний, регистрируемого под каждой осью подвижного состава) на середине шпалы.

Оценка силы прижатия к рельсу

Анализ технического состояния элементов верхнего строения пути магистральных железных дорог Казахстана убеждает, что параметры промежуточных рельсовых скреплений далеки от совершенства.
Из-за этого сокращается срок службы рельсов и отдельных элементов скреплений, не реализуется, например, на скреплении КБ-65 достаточное прижатие рельса к шпале, на скреплении ЖБР-65 с подкладками ЦП 204 слишком велика раскантовка рельса в кривых, скрепления Vossloh не обеспечивают возможность регулирования положений рельсов по высоте.
ПРС КБ-65 и ЖБР-65 не обеспечивают стабильной ширины рельсовой колеи. По этим причинам не достигнута солидарная работа элементов верхнего строения пути под поездами и сокращается срок службы самого главного элемента пути – рельса.
Для обеспечения равнопрочности элементов промежуточных рельсовых скреплений <^оэз1оЬ>; «КПП-5»; «ЖБР-65»; «Pandrol Fastclip» и «KZF-07», применяемых на железных дорогах Казахстана, необходимо оценить усталостный ресурс их упругих клемм и величины усилия прижатия к рельсам.
Для решения этой задачи на Алматинском заводе ТОО «Магнетик» [161], под руководством доктора технических наук Финк В.К., был разработан и изготовлен прибор «^ш-20кН» (рисунок 4.1).

Показания усилия прижатия клеммы через тензодатчик высвечиваются на электронном экране прибора «^ш-20кН». Результаты испытаний клемм с разными видами скреплений приведены в таблице 4.1.

На рис. 4.4, 4.5 показаны осциллограммы виброперемещений подошвы рельса и середины шпалы для пути со скреплениями Pandrol Fastclip и ЖБР65-Ш, полученные при воздействии локомотива ВЛ-80с на скорости 93 км/ч.
При проходе ВЛ-80с по участку сопряжения скреплений со скоростью 93 км/ч, пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса, зафиксированное в центре междушпального ящика, для пути со скреплением Pandrol Fastclip (388,51 мкм) на 13% превышало пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса пути со скреплением ЖБР65-Ш (339,77 мкм). Соответственно, СКЗ виброперемещения, полученное на подошве рельса, для ВСП с ПРС Pandrol Fastclip (194,07 мкм) на 20% превышало СКЗ для пути со скреплением ЖБР65-Ш (154,34 мкм). 

Пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы, для пути со скреплением Pandrol Fastclip (242,93 мкм) на 21% превышало пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы пути со скреплением ЖБР65-Ш (191,56 мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное на середине шпалы, для пути со скреплением Pandrol Fastclip (102,09 мкм) на 16% превышало СКЗ для пути со скреплением ЖБР65-Ш (85,41 мкм).

Результаты вибродиагностики железнодорожного пути с промежуточными рельсовыми скреплениями Pandrol Fastclip и ЖБР65-Ш на участке сопряжения приведены в таблицах 1-4 Приложения Б. На рисунке 4.6 представлен график зависимости коэффициента затухания амплитуды виброскорости колебаний рельса по отношению к шпале от скорости электровоза. На рис. 4.7 показаны диаграммы взаимосвязи итогового количества отступлений 2 степени и оценочных критериев, полученных в результате проведения вибродиагностики верхнего строения пути на участках сопряжения. Из приведенных диаграмм видно, что оценочные критерии, принятые при проведении вибродиагностики вполне адекватно отражают состояние пути, определенное по результатам прохода путеизмерительного вагона.

На рисунках 4.8-4.11, соответственно, графики спектральной плотности дисперсии (спектры виброскорости и виброперемещения) колебаний подошвы рельса в центре междушпального ящика и середины шпалы со скреплениями Pandrol Fastclip (а) и ЖБР65- Ш (б) при проходе ВЛ-80^с со скоростью 93 км/ч на перегоне Чидерты – Экибастуз (УПЧ-30) на 269-270 км четного пути.

Сравнение конструкций пути со скреплениями Pandrol Fastclip и КПП-5

Экспериментальные исследования выполнены на 227-228 километре участка укрупненной Экибастузской дистанции пути (УПЧ-30) АО «НК»КТЖ».
Сопряжение Pandrol Fastclip (227 км) и КПП-5 на 228 км четного пути на перегоне Уленты – Бощакуль (УПЧ-30): участок двухпутный, высота насыпи составляет 1,5 м, ширина основной площадки 9,6 м. Верхнее строение представлено бесстыковым путем из рельсов Р65 длиной 250 м на железобетонным шпалам (эпюра шпал 1840шт/км). Промежуточные рельсовые скрепления представлены Pandrol Fastclip и КПП-5. Рельсошпальная решетка уложена на балластную призму, выполненную из щебня. В плане путь расположен на прямом участке, электрифицированный, группа и категория пути – 1В2, последний капитальный ремонт произведен в 2010 году, пропущенный тоннаж составил 236,4 млн. тонн.км.бр, согласно данных РШБК на 01.01.2015г. На рисунке 4.12 представлена схема расположения датчиков. На рисунке. 4.13 показан общий вид участков железнодорожного пути с установленными вибродатчиками вибрации со скреплением КПП-5.

На рисунке 4.14, 4.15 показаны виброперемещения подошвы рельса и середины шпалы для пути со скреплениями Pandrol Fastclip и КПП-5, полученные при проходе электровоза ВЛ-80с со скоростью 85 км/ч.

При проходе ВЛ-80с по участку сопряжения скреплений со скоростью 85 км/ч, пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса, зафиксированное в центре междушпального ящика, для пути со скреплением КПП-5 (303,75 мкм) на 8% превышало пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса пути со скреплением Pandrol Fastclip (279,72 мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное в уровне подошвы рельса, для ВСП с ПРС КПП-5 (135 мкм) на 10 % превышало СКЗ для пути со скреплением Pandrol Fastclip (122 мкм).
Пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы, для пути со скреплением КПП-5 (293 мкм) на 45 % превышало пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы пути со скреплением Pandrol Fastclip (161 мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное на середине шпалы, для пути со скреплением КПП-5 (129 мкм) на 50 % превышало СКЗ для пути со скреплением Pandrol Fastclip (65 мкм).
Результаты вибродиагностики железнодорожного пути с промежуточными рельсовыми скреплениями Pandrol Fastclip и КПП-5 на участке сопряжения приведены в таблицах 5-8 Приложения Б. На рисунке 4.16 представлен график зависимости коэффициента затухания амплитуды виброскорости колебаний рельса по отношению к шпале от скорости электровоза. На рисунке. 4.17 показаны диаграммы взаимосвязи итогового количества отступлений 2 степени и оценочных критериев, полученных в результате проведения вибродиагностики верхнего строения пути на участках сопряжения. Из приведенных диаграмм видно, что оценочные критерии, принятые при проведении вибродиагностики вполне адекватно отражают состояние пути, определенное по результатам прохода путеизмерительного вагона. На рисунках 4.18-4.21, соответственно, графики спектральной плотности мощности (спектры виброскорости и виброперемещения) колебаний подошвы рельса в центре междушпального ящика и середины шпалы со скреплениями Pandrol Fastclip (а) и КПП-5 (б) при проходе ВЛ-80с со скоростью 85 км/ч на перегоне Уленты – Бощакуль (УПЧ-30) на 228 км четного пути.

Сравнение конструкций пути со скреплениями Vossloh W-14 и ЖБР65-Ш

Экспериментальные исследования выполнены на 4035-4036 километре участка УПЧ-46 АО «НК»КТЖ».
Сопряжение Vossloh W-14 (4035 км) и ЖБР65- Ш на 4036 км четного пути на переезде Аксенгер (УПЧ-46): участок двухпутный, высота насыпи составляет 1,65 м, ширина основной площадки 9,8 м. Верхнее строение представлено бесстыковым путем из рельсов Р65 длиной 350 м на железобетонным шпалам (эпюра шпал 1840шт/км). Промежуточные рельсовые скрепления представлены Vossloh W-14 и ЖБР65- Ш. Рельсошпальная решетка уложена на балластную призму, выполненную из щебня. В плане путь расположен на прямом участке, электрифицированный, группа и категория пути – 1Б1, последний капитальный ремонт произведен в 2006 году, пропущенный тоннаж составил 305,4 млн. тонн.км.бр, согласно данных РШБК на 01.01.2015г. На рисунке. 4.22 показан общий вид участков железнодорожного пути с установленными вибродатчиками.

На рис. 4.23, 4.24 показаны осциллограммы виброперемещений подошвы рельса и середины шпалы для пути со скреплениями Vossloh W-14 и ЖБР65- Ш, полученные при движении локомотива ВЛ-80с на скорости 98 км/ч.
При проходе ВЛ-80с по участку сопряжения скреплений со скоростью 98 км/ч, пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса, зафиксированное в центре междушпального ящика, для пути со скреплением ЖБР65-Ш (370,56 мкм) на 6% превышало пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса пути со скреплением Vossloh W-14 (350,02мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное в уровне подошвы рельса, для ВСП с ПРС ЖБР65- Ш (207,53 мкм) на 17% превышало СКЗ для пути со скреплением Vossloh W-14 (169 мкм).
Пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы, для пути со скреплением ЖБР65- Ш (207,53 мкм) на 24% превышало пиковое значение Пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы, для пути со скреплением ЖБР65- Ш (207,53 мкм) на 24% превышало пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы пути со скреплением Vossloh W-14 (158,07 мкм).

Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное на середине шпалы, для пути со скреплением ЖБР65-Ш (112,38 мкм) на 30% превышало СКЗ для пути со скреплением Vossloh W-14 (79,03 мкм).
Результаты вибродиагностики железнодорожного пути с промежуточными рельсовыми скреплениями Vossloh W-14 и ЖБР65- Ш на участке сопряжения приведены в таблицах 9-12 Приложения Б. На рисунке 4.25 представлен график зависимости коэффициента затухания амплитуды виброскорости колебаний рельса по отношению к шпале от скорости электровоза. На рис. 4.26 показаны диаграммы взаимосвязи итогового количества отступлений 2 степени и оценочных критериев, полученных в результате проведения вибродиагностики верхнего строения пути на участках сопряжения. Из приведенных диаграмм видно, что оценочные критерии, принятые при проведении вибродиагностики вполне адекватно отражают состояние пути, определенное по результатам прохода путеизмерительного вагона.
На рисунках 4.27- 4.30, соответственно, графики спектральной плотности дисперсии (спектры виброскорости и виброперемещения) колебаний подошвы рельса в центре междушпального ящика и середины шпалы со скреплениями Vossloh W-14 (а) и ЖБР65- Ш (б) при проходе ВЛ-80с со скоростью 98 км/ч на переезде ст.Аксенгер (УПЧ-46) на 4035 км четного пути.

Сравнение конструкций пути со скреплениями Vossloh W-14 и ЖБР65-М

Характеристика участка: Сопряжение Vossloh W-14 (4035 км) и ЖБР65-М на 4036 км четного пути на переезде Аксенгер (УПЧ-46): участок двухпутный, высота насыпи составляет 1,65 м, ширина основной площадки 9,8 м. Верхнее строение представлено бесстыковым путем из рельсов Р65 длиной 350 м на железобетонным шпалам (эпюра шпал 1840шт/км). Промежуточные рельсовые скрепления представлены Vossloh W-14 и ЖБР65-М. Рельсошпальная решетка уложена на балластную призму, выполненную из щебня. В плане путь расположен на прямом участке, электрифицированный, группа и категория пути – 1Б1, последний капитальный ремонт произведен в 2006 году, пропущенный тоннаж составил 305,4 млн. тонн.км.бр, согласно данных РШБК на 01.01.2015г.
В Казахстане скрепление ЖБР-65 в эксплуатацию применятся с 2003года. В настоящее время общая протяженность пути с указанным типом скреплений составляет 1337,6 (12 %). В Казахстане и в России наиболее широко применяется на участках бесстыкового пути и особенно в кривых с радиусами менее 600м шурупно-дюбельное скрепление ЖБР-65 Ш. У этого скрепления преимущество почти такие же, как у скрепления «^оээ^ W-14 », но оно значительно дешевле. Слабым местом остается прокладка ЦП-204 и клемма.
Учитывая сравнительно низкую стоимость железобетонных шпал со скреплением ЖБР-65 в сравнении со стоимостью шпал, выпускаемых для скреплений «^оээ^ W-14 », а также схожие с Россией климатические и эксплуатационные условия работы железнодорожного пути, было принято решение начать применение скрепления ЖБР-65 и ЖБР-65 Ш. В настоящее время общая протяженность пути со скреплением ЖБР-65 Ш составляет 570,8 км (5%).
Дальнейшее совершенствование конструкции скрепления типа ЖБР-65 Ш возможно в нескольких направлениях. Такая модернизация скрепления ЖБР-65 Ш проводилась в 2007 году под руководством доктора технических наук В.К. Финк с участием профессоров КазАТК Э.П. Исаенко и С.А.Косенко на Алматинском участке на железобетонных шпалах ТОО «Магнетик» с целью улучшения эксплуатационных характеристик скрепления и повышения его надежности и долговечности [162].
На рисунке 4.31 показан общий вид железнодорожного полотна с установленными датчиками.

На рис. 4.32 – 4.33 показаны осциллограммы виброперемещений подошвы рельса и середины шпалы для пути со скреплениями Vossloh W-14 и ЖБР65-М, полученные при проходе электровоза ВЛ-80^с со скоростью 95 км/ч.

При проходе ВЛ-80с по участку сопряжения скреплений со скоростью 95 км/ч, пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса, зафиксированное в центре междушпального ящика, для пути со скреплением ЖБР65-М (372 мкм) на 15% превышало пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса пути со скреплением Vossloh W-14 (317 мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное в уровне подошвы рельса, для ВСП с ПРС ЖБР65-М (176 мкм) на 20% превышало СКЗ для пути со скреплением Vossloh W-14 (141 мкм).
Пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы, для пути со скреплением ЖБР65-М (245 мкм) на 18 % превышало пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы пути со скреплением Vossloh W-14 (200 мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, Пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы, для пути со скреплением ЖБР65-М (245 мкм) на 18 % превышало пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы пути со скреплением Vossloh W-14 (200 мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное на середине шпалы, для пути со скреплением ЖБР65-М (117 мкм) на 13% превышало СКЗ для пути со скреплением Vossloh W-14 (102 мкм).
Результаты вибродиагностики железнодорожного пути с промежуточными рельсовыми скреплениями Vossloh W-14 и ЖБР65-М на участке сопряжения приведены в таблицах 13-16 Приложения Б. На рисунке 4.34 представлен график зависимости коэффициента затухания амплитуды виброскорости колебаний рельса по отношению к шпале от скорости электровоза. На рис. 4.35 показаны диаграммы взаимосвязи итогового количества отступлений 2 степени и оценочных критериев, полученных в результате проведения вибродиагностики верхнего строения пути на участках сопряжения. Из приведенных диаграмм видно, что оценочные критерии, принятые при проведении вибродиагностики вполне адекватно отражают состояние пути, определенное по результатам прохода путеизмерительного вагона.
Рисунок 4.34 График зависимости коэффициента затухания амплитуды виброскорости колебаний шпалы по отношению к рельсу от скорости электровоза
На рисунках 4.36-4.39, соответственно, графики спектральной плотности дисперсии (спектры виброскорости и виброперемещения) колебаний подошвы рельса в центре междушпального ящика и середины шпалы со скреплениями Vossloh W-14 (а) и ЖБР65-М (б) при проходе ВЛ-80с со скоростью 95 км/ч на переезде ст.Аксенгер (УПЧ-38) на 4035 км четного пути.

Сравнение конструкций пути со скреплениями ЖБР-65 и КБ-65

Экспериментальные исследования выполнены на 4041-4042 километре участка УПЧ-46 АО «НК»КТЖ». Сопряжение ЖБР-65 (4041 км) и КБ-65 на 4042 км четного пути на переезде Аксенгер (УПЧ-46): участок двухпутный, высота насыпи составляет 2,0 м, ширина основной площадки 12,5 м. Верхнее строение представлено бесстыковым путем из рельсов Р65 длиной 250 м на железобетонным шпалам (эпюра шпал 1840шт/км). Промежуточные рельсовые скрепления представлены ЖБР-65 и КБ- 65. Рельсошпальная решетка уложена на балластную призму, выполненную из щебня. В плане путь расположен на прямом участке, электрифицированный, группа и категория пути – 1Б1, последний капитальный ремонт произведен в 2005 установленными датчиками.

На рис. 4.41, 4.42 показаны осциллограммы виброперемещений подошвы рельса и середины шпалы для пути со скреплениями КБ-65 и ЖБР-65, полученные при проходе электровоза ВЛ-80^с со скоростью 105 км/ч.

При проходе ВЛ-80 по участку сопряжения скреплений со скоростью 105 км/ч, пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса, зафиксированное в центре междушпального ящика, для пути со скреплением ЖБР-65 (406,40 мкм) на 6% превышало пиковое значение вертикального виброперемещения подошвы рельса пути со скреплением КБ-65 (380,10 мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное в уровне подошвы рельса, для ВСП с ПРС ЖБР-65 (191,52 мкм) на 10% превышало СКЗ для пути со скреплением КБ-65 (172,18 мкм).

Пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы, для пути со скреплением ЖБР-65 (177,10 мкм) на 45 % превышало пиковое значение вертикального виброперемещения середины шпалы пути со скреплением КБ-65 (97,66 мкм). Соответственно, среднеквадратическое значение виброперемещения, полученное на середине шпалы, для пути со скреплением ЖБР-65 (75,23 мкм) на 34 % превышало СКЗ для пути со скреплением КБ-65 (49,32 мкм).

Результаты вибродиагностики железнодорожного пути с промежуточными рельсовыми скреплениями КБ-65 и ЖБР-65 на участке сопряжения приведены в таблицах 17-20 Приложения Б. На рисунке 4.43 представлен график зависимости коэффициента уменьшения амплитуды виброскорости колебаний шпалы по отношению к рельсу от скорости электровоза. На рис. 4.44 показаны диаграммы взаимосвязи итогового количества отступлений 2 степени и оценочных критериев, полученных в результате проведения вибродиагностики верхнего строения пути на участках сопряжения. Из приведенных диаграмм видно, что оценочные критерии, принятые при проведении вибродиагностики вполне адекватно отражают состояние пути, определенное по результатам прохода путеизмерительного вагона.

На рисунках 4.45-4.48, соответственно, графики спектральной плотности дисперсии (спектры виброскорости и виброперемещения) колебаний подошвы рельса в центре междушпального ящика и середины шпалы со скреплениями КБ- 65 (а) и ЖБР65 (б) при проходе ВЛ-80^с со скоростью 95 км/ч на перегоне Аксенгер-Бурундай (УПЧ-46) на 4035 км четного пути.

Из графиков, представленных на рисунках 4.8-4.11, 4.18-4.21, 4.27-4.30, 4.36-4.39, 4.45-4.48, видно, что параметры, характеризующие изменение колебательной мощности и демпфирование вибрации вследствие рассеяния механической энергии, на участках сопряжений пути с различными типами скреплений, существенно отличаются.

В таблице 4.2 приведены данные технического состояния железнодорожного пути по результатам прохода путеизмерительного вагона и вибродиагностики участков сопряжения конструкций пути с различными типами рельсовых скреплений.